Пирометры

 

Министерство образования  и науки РТ

 

ГБОУ ВПО «Альметьевский Государственный Нефтяной Институт»

 

 

 

 

 

 

Кафедра АИТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доклад

 

По курсу "Технологические измерения и приборы"

на тему:

«Пирометры»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

                                                                                                                         

Проверила:

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Альметьевск, 2009

 

Содержание

 

Введение  …………………………………………………………………………..3

Классификация. Принцип действия. Схема конструкции. …………………….4

1.1.Пирометры  частичного излучения  ………………………………………….4

1.2. Пирометры спектрального излучения  ………………………………….......8

1.3. Пирометры суммарного излучения   ……………………………………......10

Заключение  ……………………………………………………………………......14

Список  литературы …………………………………………………………….....15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами.

Пирометры – бесконтактные измерители температуры по-прежнему являются незаменимыми элементами цепей контроля и управления в целом ряде отраслей промышленности – металлургической, машиностроительной, электронной, химической, медико-биологической  и т.д. Им нет альтернативы при  измерении температуры движущихся (например металл на прокатном стане), труднодоступных или находящихся в опасных зонах (подстанции высокого напряжения) объектов. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы и получили название бесконтактный.

Принцип действия пирометра заключается  в измерении силы теплового излучения, исходящего от объекта преимущественно  в диапазонах видимого света и  инфракрасного излучения.

Изначально термин «пирометр» использовался  для обозначения прибора, предназначенного для измерения температуры по яркости предельно нагретого предмета. На сегодняшний день понятие несколько расширилось, поскольку, с развитием технологий появились абсолютно новые приборы – инфракрасные пирометры.

• Односпектральными. Такие пирометры принимают излучения только в одном спектральном диапазоне. Односпектральные пирометры в свою очередь подразделяются на радиационные (мощность теплового излучения переводится в температуру) и яркостные (в диапазоне красного света измеряются яркости эталонного объекта и объекта измерения). В эту подгруппу входят пирометры полного излучения.
• Мультиспектральными. Также их называют цветовыми или пирометрами спектрального отношения.

На основании законов излучения  разработаны пирометры следующих  типов:

1. пирометр суммарного излучения  (ПСИ) – измеряется полная энергия  излучения;

2. пирометр частичного излучения  (ПЧИ) – измеряется энергия  в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;

3. пирометры спектрального отношения  (ПСО) – измеряется отношение  энергии фиксированных участков  спектра.

 

 

 

 

 

 

Классификация. Принцип действия. Схема конструкции.

1.1.Пирометры частичного излучения

К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические  пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

Оптические пирометры.

Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости  плотности потока монохроматического излучения от температуры. На (рис. 11) представлена схема оптического  пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан  на сравнении яркости объекта  измерения и градуированного  источника излучения в определенной длине волны.

Изображения излучателя 1 линзой 2 и  диафрагмой 4 объектива пирометра  фокусируется в плоскости нити накаливания  лампы 5. Оператор через диафрагму 6 линзу 8 окуляра и красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего  через лампу, и добивается уравнивания  яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости  тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре  нити она будет выглядеть, как  светлая дуга на более темном фоне. При равенстве яркости излучателя и нити последняя "исчезает" из поя зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется с помощью батареи 10. Прибор 9, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в 0С.

Данный тип пирометров позволяет  измерять температуру от 700 до 8000 0С. Для оптических пирометров промышленного применения в интервале температур 1200¸2000 0С.основная допустимая погрешность измерения составляет ±20 0С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а так же за счет отражения посторонних лучей.

Фотоэлектрические пирометры.

Фотоэлектрические пирометры частичного излучение обеспечивают непрерывное  автоматическое измерения и регистрацию  температуры. Их принцип действия основан  на использовании зависимости интенсивности  излучения от температуры в узком  интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах  используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы:

1) пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения;

2) пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, при чем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.

На (рис. 12) приведена схема фотоэлектрического пирометра, относящегося ко второй группе пирометров. В нем в качестве приемника  излучения применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 3 объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5 таким  образом, чтобы изображение визируемого  участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В  этом случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента 6, расположенного за светофильтром, определяется яркостью излучателя, т. е. его температурой. В держателе светофильтра расположено  еще одно отверстие 8, через которое  на фотоэлемент попадает поток от лампы обратной связи 17. Световые потоки от излучателя 1 и лампы 17 подаются на катод попеременно с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью  вибрирующей заслонки 9. Возвратно-поступательное движение заслонки обеспечивается с  помощью катушки возбуждения 10 и  постоянного магнита 12. В вибраторе  происходит перемагничивание стального  якоря 11, который с частотой 50 Гц поочередно притягивается полюсами магнита 12 и перемещает заслонку 9.

При различии световых потоков излучателя 1 и лампы 17 в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу, что вызывает изменение силы тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.

В цепь лампы 17 включено калиброванное  сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим  потенциометром 15, снабженным температурной  шкалой. Окуляр 4 обеспечивает наводку  устройства на объект измерения.

В фотоэлектрических пирометрах с  пределами измерения от 500 до 1100 0С применяют кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800¸4000 0С вакуумный сурьмяно-цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра 0.65±0.01 мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического пирометра.

Оптические пирометры, с  исчезающей нитью.

Принцип действия оптического пирометра  с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости  излучения накаленного тела с  монохроматической яркостью излучения  нити специальной пирометрической  лампы  накаливания. Принципиальная схема оптического пирометра  типа ОППИР-017 приведена на рис.1а.

Рис.1

Оптическая система пирометра  представляет собой телескоп с объективом (1) и окуляром (4). Перед окуляром помещен  красный светофильтр (3). Спектральная характеристика пропускания светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности глаза так, чтобы  при рассматривании объекта через  светофильтр наибольшая видимая  яркость соответствовала бы длине  волны около 0,65 мкм. В фокусе объектива  находится вольфрамовая нить пирометрической  лампочки (5). Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом (6). В поле зрения телескопа наблюдатель видит  участок излучающей поверхности  накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки (рис.1б). Если яркости нити и накаленного  тела неодинаковы, нить будет видна  более темной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет"). В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент "исчезновения" нити улавливается с достаточной уверенностью. Показывающий прибор (8), включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому пирометру или по температурным лампам, в °С яркостной температуры.

Как указывалось выше, если объект измерения по своей излучающей способности  близок к абсолютно черному телу, то показываемая пирометром яркостная  температура равна истинной температуре  объекта. Однако излучающая способность  реальных физических тел не достигает  излучающей способности абсолютно  черного тела. Поэтому при одинаковой яркости излучения, т.е. при одинаковой яркостной температуре, истинная температура Т реального физического тела будет выше яркостной температуры ТS, показываемой оптическим пирометром. Соотношение истинной и яркостной температур определяется выражением

                ( 1 )

где, Т и ТS - истинная и яркостная температуры в градусах абсолютной шкалы;

- длина волны света, в котором  измеряется яркостная температура  (для оптических пирометров обычно  = 0,65 мкм);

с2 - 1,438 см/град. – постоянная;

- коэффициент излучательной способности (коэффициент черноты) реального тела для длины волны .

Коэффициент излучательной способности всегда меньше единицы и больше нуля и колеблется в этих пределах в зависимости от материала, его состояния (жидкое, твердое) и шероховатости поверхности. Значительное влияние на величину коэффициента черноты оказывает наличие пленки окисла на поверхности раскаленного металла. Так, например, углеродистая сталь для = 0,65 мкм имеет в твердом состоянии = 0,35, в жидком - 0,37; наличие пленки окисла на твердой поверхности стали увеличивает коэффициент черноты до 0,8.

Для определения истинной температуры  объекта в показания оптического  пирометра необходимо вносить поправку, определяемую на основе формулы (1) или  по таблицам, составленным по той же формуле. При этом величина поправки может быть значительной. Например, при коэффициенте черноты = 0,35 и яркостной температуре 2400°С истинная температура составляет 2795°С.

Колебания коэффициента черноты в  зависимости от состава и температуры  металла и состояния его наблюдаемой  поверхности являются одним из основных источников погрешностей измерения  температуры оптическими пирометрами.

Во избежание перегрева нити, ее температура не должна превышать 1500°С, поэтому при измерениях в диапазоне более высоких температур перед лампой устанавливается поглощающий светофильтр (7), уменьшающий видимую яркость излучения объекта.

Отечественные пирометры выпускаются с диапазонами измерения 1200-3200 и 1500-6000°С. Диапазон измерения прибора может быть разбит на два поддиапазона, в этом случае пирометр имеет две шкалы. Переход с одного диапазона на другой осуществляется введением или выведением поглощающего светофильтра.

Для питания оптического пирометра  типа ОППИР-017 применяется сдвоенный  щелочной аккумулятор НКН-10. Сила тока в лампе регулируется реостатом. Электроизмерительный показывающий прибор представляет собой дифференциальный амперметр с двумя рамками, который  реагирует на изменение тока в  цепи питания и напряжения на параметрической  лампе. При этом автоматически учитывается  изменение сопротивления нити лампы  от температуры ее накала. Время  установления показания после включения  прибора не превышает 8с. Основная допустимая погрешность измерения яркостной  температуры зависит от диапазона  температур и составляет от 1 до 25% от верхнего предела используемой, шкалы  прибора.