УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения температуры пищевых продуктов в технологических термокамерах (дымогенераторах, коптильных камерах, сушильных камерах т.д.).
Температура является важнейшим технологическим параметром в пищевой промышленности. От нее зависят основные потребительские параметры пищевого продукта, такие как вкус, цвет, вид, а также и производственные параметры, такие как время изготовления, сохранность, а в итоге объемы готовой продукции.
В настоящее время в пищевой промышленности в основном используют обычные стационарные контактные датчики температуры: термопары или термосопротивления. Однако их использование приводит к ряду проблем:
- точное измерение температуры контактными датчиками возможно только при хорошем тепловом контакте с измеряемым объектом;
- существует ограниченный выбор зон контроля, не всегда лучший с точки зрения оптимального регулирования технологического процесса;
- должны соблюдаться жесткие гигиенические требования при эксплуатации датчиков;
- налипания измеряемого продукта на датчик в зоне измерения приводит к ошибкам в измерении, к снижению скорости управления технологическим процессом. Оперативный контроль температуры в технологических процессах пищевого производства может быть обеспечен применением стационарных неконтактных инфракрасных датчиков. Эти датчики лишены всех проблем, присущих контактным датчикам температуры. Они практически безинерционны, работают в реальном масштабе времени, позволяют измерять температуры от -50°С до +3000°С, например инфракрасные датчики температуры серии Marathon фирмы Raytek, однако они слишком дороги.
Обычный диапазон температур пищевого производства лежит в диапазоне от -30°С до +400°С. Инфракрасные датчики температуры позволяют неконтактно измерять температуру продукта, сырья непосредственно в процессе производства.
Однако недорогие стационарные неконтактные инфракрасные датчики температуры с показателем визирования 1:1 обладают рядом недостатков, в связи с чем, возникает ряд проблем при их использовании в пищевой промышленности, а именно:
1) трудность позиционирования над продуктом (сырьем), требующим температурного контроля. Так в установках, представляющих собой термокамеры, где температуры достигают 200-400°С, позиционирование инфракрасных датчиков невозможно, ввиду их небольшого диапазона рабочих температур, в среднем 85°С. Стационарные инфракрасные датчики температуры попросту выйдут из строя;
2) каждая конкретная модель инфракрасных датчиков температуры, помимо диапазона измеряемых температур, обладает собственным показателем визирования. Показатель визирования представляет собой отношение диаметра пятна визирования - D (то, что «видит» датчик) к расстоянию между датчиком и объектом - L, (D:L) (фиг.1).
При значении показателя визирования 1:1 и при значительном удалении датчика от продукта (сырья), показания температуры будут не точными ввиду попадания в область визирования датчика сторонних инфракрасных излучений.
Инфракрасные же датчики температуры с показателями визирования порядка 1:100 отличаются хорошей точностью, однако они в разы дороже вышеописанных недорогих датчиков. Применение их в установках пищевой промышленности невыгодно с экономической точки зрения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является изобретение по патенту РФ N 2383874, опубл. 10.03.2010. Изобретение позволяет надежно измерять точную температуру расплавленной стали. В своей конструкции содержит оптический датчик инфракрасного излучения, сфокусированный на керамической трубке, которая используется в качестве поля зрения для датчика.
Однако данное изобретение имеет следующие недостатки:
-керамическая трубка, обеспечивающая хорошую световую и тепловую проводимость, погружается непосредственно в расплавленный металл и передает на оптический датчик, сфокусированный внутри нее, полную информацию об окружающей температуре. Заявленная же полезная модель целенаправленно ограничивает область визирования датчика;
-отсутствует возможность использования сменных стационарных инфракрасных датчиков разных производителей и разной конфигурации;
-относительно большие габариты устройства, ввиду специфики сталелитейного производства, высоких температур, применения дополнительных элементов (термопара для измерения температуры оптического датчика);
-керамическая трубка требует периодической замены каждые 15 часов.
Задачей полезной модели является создание компактного с небольшими габаритами устройства для бесконтактного измерения температуры продукта с использованием недорогих стационарных инфракрасных датчиков и ограничение области визирования датчика.
Она решается в устройстве для непрерывного бесконтактного измерения температуры, содержащем инфракрасный датчик температуры, установленный в съемной трубке для закрепления последнего, охлаждаемый стакан, в котором размещены инфракрасный датчик температуры и трубка для закрепления датчика, трубку для проведения точного измерения температуры, имеющую два конца, при этом один конец ее соединен с трубкой для закрепления датчика, а другой конец открыт и помещен в термокамеру с продуктом, при этом трубка для проведения точного измерения температуры выполнена из металла.
Отличительными признаками предлагаемой полезной модели являются следующие:
-один конец трубки для точного измерения температуры соединен с трубкой для закрепления датчика, а другой конец открыт и помещен в термокамеру с продуктом,
-трубка для проведения точного измерения температуры выполнена из металла, т.к. металл имеет небольшой коэффициент излучения, а это необходимо для предотвращения искажения показаний датчика.
Благодаря наличию этих признаков предлагаемое устройство для непрерывного бесконтактного измерения температуры компактно, имеет небольшие габариты, а также позволяет ограничивать область визирования датчика и использовать недорогие стационарные инфракрасные датчики температуры.
Предлагаемое устройство для непрерывного бесконтактного измерения температуры иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 представлен показатель визирования, на фиг.2 - общий вид предлагаемого устройства, продольный разрез, на фиг.3 - вид сверху съемной трубки для закрепления стационарного инфракрасного датчика температуры, например «Кельвин икс 4-20», на фиг.4 - типовое расположение устройства в термокамере.
Общий вид предлагаемого устройства показан на фиг.2, где:
1 - инфракрасный датчик температуры;
2 - резиновое кольцо-уплотнитель для вывода контактной группы проводов стационарного инфракрасного датчика (питание, информационные линии);
3 - вход водяного охлаждения;
4 - шланг для водяного охлаждения;
5 - выход водяного охлаждения;
6 - резиновое кольцо-уплотнитель охлаждающего стакана;
7 - охлаждающий стакан;
8 - съемная трубка для закрепления стационарного инфракрасного датчика температуры;
9 - трубка для проведения точного измерения температуры;
10 -резьба;
11 - крепежное соединение к корпусу термокамеры;
12 - резиновое кольцо-уплотнитель;
13 - крепежные отверстия.
Инфракрасный датчик 1 температуры является стационарным и представлен на фиг.2 моделью «Кельвин икс 4-20» фирмы ЗАО «Евромикс». Датчик 1 устанавливают в съемную трубку 8 для закрепления датчика 1. Вид сверху съемной трубки 8 для закрепления стационарного инфракрасного датчика 1 температуры «Кельвин икс 4-20» представлен на фиг.3. Контактную группу проводов (не обозначены) стационарного инфракрасного датчика 1 (питание, информационные линии) пропускают через резиновое кольцо-уплотнитель 2 охлаждающего стакана 7. В зависимости от модели стационарного инфракрасного датчика 1 и от условий использования полезной модели информационные линии далее идут либо на индикатор (не показан), либо в систему автоматического управления (не показана) работой термокамеры 14 (фиг.4). Резиновые кольца-уплотнители 2, 6, 12 ввиду высоких рабочих температур выполнены из термостойкой резины. Резиновые кольца-уплотнители 2, 6, 12 предназначены для герметизации устройства в местах резьбовых соединений.
Для дополнительного охлаждения стационарного инфракрасного датчика 1 используют систему водяного охлаждения: 3 - вход водяного охлаждения; 4 - шланг для водяного охлаждения; 5 - выход водяного охлаждения.
Трубка 9 для проведения точного измерения температуры выполняет следующую роль:
- ограничивает область визирования стационарного инфракрасного датчика 1;
- препятствует попаданию в область визирования датчика сторонних инфракрасных излучений;
- обеспечивает удаленность чувствительного элемента стационарного инфракрасного датчика 1 температуры от термокамеры 14, тем самым уменьшая тепловое воздействие на него.
Трубка 9 для проведения точного измерения температуры выполнена из металла, что предотвращает искажение показаний датчика 1. Это обусловлено тем, что металлы имеют низкую излучательную способность, которая составляет 0,1-0,2.
Инфракрасный датчик 1 расположен в охлаждающем стакане 7. Охлаждающий стакан 7 также препятствует выходу газов, теплого воздуха из термокамеры 14.
Перемещая по резьбе 10, устройство позиционируют и фиксируют к термокамере 14 с помощью крепежного соединения 11.
Последовательность действий при подготовке устройства к работе:
Под заданный стационарный инфракрасный датчик 1 температуры подбирают подходящую по размерам съемную трубку 8 для закрепления датчика 1. Стационарный инфракрасный датчик 1 температуры фиксируют в трубке 8 для закрепления датчика 1, а саму трубку 8 вкручивают в трубку 9 для проведения точного измерения температуры.
Длина трубки 9 зависит от максимальных рабочих температур термокамеры 14. Так при температурах до 200 градусов длина трубки 9 составляет 15 см над термокамерой 14 и 10 см внутри термокамеры 14 при условии использования водяного охлаждения, т.е. в целом длина составляет в этом случае 25 см.
Трубка 8 для закрепления датчика 1 вместе с датчиком 1 установлены в охлаждающем стакане 7. Для этого стакан 7 накручивают сверху на трубку 8. К стакану 7 через патрубок 3 входа и патрубок 5 выхода соответственно подводится и отводится водяное охлаждение. Контактную группу проводов стационарного инфракрасного датчика 1 (питание, информационные линии) пропускают через резиновое кольцо-уплотнитель 2 (фиг.2).
Информационные линии от стационарного инфракрасного датчика 1 температуры далее идут либо на индикатор, либо в систему автоматического управления работой термокамеры 14.
Под диаметр трубки 9 для проведения точного измерения температуры в верхней части термокамеры 14, непосредственно над продуктом (сырьем), вырезают отверстие (на фиг.4 не обозначено). В отверстие вставляют трубку 9 собранного устройства для непрерывного бесконтактного измерения температуры и позиционируют ее по высоте с помощью крепежного соединения 11 к корпусу термокамеры 14 и резьбы 10 под него. Крепежное соединение 11 жестко закрепляют к корпусу термокамеры 14 с помощью болтов на 6, пропущенных через специально предусмотренные крепежные отверстия 13 (фиг.2)
Таким образом, перед запуском термокамеры 14 в работу, предлагаемое устройство для непрерывного бесконтактного измерения температуры в результате проделанных операций жестко зафиксировано к корпусу термокамеры 14. Трубка 9 направлена на продукт (сырье), температуру которого необходимо измерять.
Принцип работы устройства заключается в следующем:
По мере изменения температуры в термокамере 14 измеряемый продукт (сырье) испускает тепловое электромагнитное излучение, величина интенсивности которого напрямую связана с температурой. Тепловое электромагнитное излучение от продукта (сырья) передается на стационарный инфракрасный датчик 1 температуры.
Стационарный инфракрасный датчик 1 температуры, преобразуя тепловое электромагнитное излучение в электрический сигнал, передает его по информационным линиям либо на индикатор, либо в систему автоматического управления работой термокамеры.
Стационарный инфракрасный датчик 1 температуры измеряет температуру только той части продукта (сырья), на которую направлена трубка 9, одновременно отсекая сторонние инфракрасные излучения.
Заявленная полезная модель обладает следующими достоинствами:
- возможность использования недорогих стационарных инфракрасных датчиков температуры в герметичных термокамерах пищевых производств;
- возможность использования стационарных инфракрасных датчиков с показателями визирования порядка 1:1 без потери точности измерения температуры, ввиду принудительного ограничения области визирования инфракрасного датчика;
- возможность использования сменных стационарных инфракрасных датчиков температуры разных производителей и разной конфигурации;
- компактность устройства, вследствие малых габаритов конструкции;
- дешевизна устройства, ввиду ее компактности и возможности использования сравнительно дешевых стационарных инфракрасных датчиков температуры;
- механическая и термозащита стационарного инфракрасного датчика температуры;
-простота конструкции.
Заявленная полезная модель успешно прошла тестирование на запатентованном инфракрасном дымогенераторе конструкции Ершова-Шокиной (патент РФ 2171033).
Применение устройства для непрерывного бесконтактного измерения температуры в технологических процессах пищевой промышленности, непрерывно измеряющего температуру продукции (сырья) в термокамерах, позволит получить ожидаемые потребительские параметры готовой продукции.