Пирометры

Существуют также оптические пирометры, в которых сличение яркостей нити и объекта производится не визуально, а фотоэлектрическим устройством, что позволяет автоматизировать измерение и повысить точность определения  яркостной температуры. Однако схема  и конструкция прибора при  этом существенно усложняются.

1.2. Пирометры спектрального излучения

Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению  интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны .

На (рис. 13) приведена схема двухканального пирометра спектрального отношения (ПСО), в котором преобразование энергии  получения в электрические сигналы  производится с помощью двух кремниевых фотодиодов. Поток излучения от объекта  измерения 1 с помощью оптической системы, состоящей из линз 2, апертурной и полевой диафрагмы 3, передается на интерференционный светофильтр 4. Последний обеспечивает выделение двух потоков, каждый из которых характеризуется собственным спектром. Данные потоки попадают на кремниевые фотодиоды 7, которые преобразуют излучение в фототок, протекающий через сопротивление R1 и R2, включенные в измерительную схему вторичного регистрирующего прибора – логометра. Разность падений напряжений на сопротивлениях подается на вход усилителя 5, выходной сигнал которого поступает на реверсивный двигатель 6, перемещающий движок реохорда R2 и стрелку относительно шкалы наступления баланса, соответствующего измеряемой температуре.

Интерференционный фильтр 4 является полупрозрачным зеркалом, имеющем высокий коэффициент пропускания в одной и высокий коэффициент отражения в другой области спектра. Зеркало 8 и окуляр 9 обеспечивают визуальную наводку объектива пирометра на объект измерения. Для уменьшения погрешности от влияния окружающей температуры фильтр 4 и приемники излучения 7 помещены в термостат.

Цветовые пирометры.

Действие этих пирометров основано на том, что с изменением температуры  меняется цвет накаленного тела. При  этом, если выделить в спектре излучения накаленного тела два монохроматических излучения с длинами волн и (соответствующих, например, красному и синему свету), то с изменением цвета будет меняться соотношение яркостей этих излучений.

Для абсолютно черного тела отношение  монохроматических яркостей излучений  длин волн и будет

(1)

или

(2)

Обозначения те же, что и в формуле (1).

Для нечерного тела, обладающего в длинах волн и неодинаковыми коэффициентами излучательной способности и отношение яркостей будет

(3)

Многие металлы (сталь, чугун, алюминий, платина и др.), имеют практически  одинаковый коэффициент излучательной способности во всем спектре видимого излечения. Тела, обладающие этим свойством называют "серыми" телами. Для "серого" тела  = и Р = Ру, т.е. соотношение монохроматических яркостей при данной температуре Т такое же, как у абсолютно черного тела.

Как видно из формул (2) и (3) отношение  монохроматических яркостей для  двух заданных длин волн является однозначной  функцией абсолютной температуры тела Т. В цветовых пирометрах измерение  температуры осуществляется по величине отношения монохроматических яркостей накаленного тела в красной и  синей областях спектра. Принципиальная схема цветового пирометра ЦЭП-2М представлена на рис.2.

Рис.2.

Излучение объекта  измерения через защитное стекло (1) и объектив (2) падает на фотоэлемент (4). Между объективом и фотоэлементом  установлен вращающийся диск (обтюратор)(3), в который вставлены два светофильтра – красный и синий. Благодаря  этому фотоэлемент попеременно  освещается красным и синим светом и выдает поочередно импульсы тока, пропорциональные монохроматическим яркостям красного и синего излучений накаленного тела. Эти импульсы усиливаются усилителем (5) и преобразуются специальным электронным логарифмирующим устройством (6) в постоянный ток, сила которого пропорциональна величине lnR, т.е. линейно зависит от обратной величины абсолютной температуры тела . Выходной ток логарифмирующего устройства измеряется и регистрируется показывающим и регистрирующим магнитоэлектрическим гальванометром (7), шкала и диаграмма которого градуированы в град. Прибор градуируется по абсолютно черному телу, поэтому его показания соответствуют истинной температуре абсолютно черного тела, а также "серых" тел.

Диапазон измерения пирометра  ЦЭП-2М от 1400 до 2500°С. Этот диапазон разбит на несколько поддиапазонов. Переход  от одного поддиапазона к другому  производится с помощью специальных  добавочных светофильтров.

1.3. Пирометры суммарного излучения

Пирометры суммарного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому  их часто называют радиационными. Принцип  действия данных измерителей температуры  основан на использовании закона Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0.4¸2.5, а для плавленого кварца 0.4¸4 мкм.

Датчик пирометра  выполняется в виде телескопа, линза  объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике  излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п. Наиболее широко применяются термобатареи (рис. 14 а), в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы 4 термопар 2. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам 1, закрепленным на слюдяном кольце 3. Металлические выводы 5 служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры.

Рабочие концы термопар поглощают  падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне  зоны потока излучения и имеют  температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает  термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20±2 0С, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей. Так, при температуре корпуса 40 0С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4 0С. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.

На (рис. 14б) показано устройство телескопа ПСИ. Он включает: корпус 1 с диафрагмой 7; объектив, имеющий стеклянную или кварцевую линзу 2, устанавливаемую во втулке 13, ввинчиваемой в корпус; блок термобатареи, состоящей из самой термобатареи 3, корпуса 5, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма 6, и контактных винтов 10; компенсационное медное сопротивление 4, шунтирующее термобатарею и обеспечивающее уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляр, включающий линзу 8 и защитное стекло 9. Фланец 11 служит для крепления корпуса к защитной арматуре, обеспечивающей работу пирометра в тяжелых условиях металлургического производства.

Получение стандартной градуировки  обеспечивается перемещением диафрагмы 6, зубчатый венец которой сочленен с зубьями трубки 12.

Диафрагма, устанавливаемая в телескопе, ограничивает телесный угол визирования, что исключает влияние на показания  размеров излучателя и его расстояния от пирометра. При этом на термобатарею попадает излучение только с определенного  небольшого участка объекта измерения. Размеры этого участка определяются по показателю визирования, который  является отношением наименьшего диаметра излучателя к расстоянию от объекта  измерения до объектива телескопа. При этом изображение круга, вписанного в излучатель, полностью перекрывает  отверстие диафрагмы 6, находящейся  перед термобатареей. Телескопы  с показателем визирования более 1/16 являются широкоугольными, а с  показателем, равным или меньшим 1/16, - узкоугольными.

Сопротивление соединительной линии  между ПСИ и потенциометром не должно превышать 200 Ом, а при работе с милливольтметром оно равно 5 Ом.

ПСИ имеют меньшую точность по сравнению  с другими пирометрами. Методические погрешности измерения температуры  при использовании ПСИ возникают  вследствие значительной ошибки определения  интегральной степени черноты , из-за неправильной наводки телескопа на излучатель, из-за влияния излучения кладки (измерение температуры металла в печах) и из-за поглощения энергии водяными парам и углекислым газом, содержащихся в слое воздуха, находящегося между излучателем и пирометром. Вследствие последней причины оптимальным считается расстояние 0.8-1.3 м.

Вид материала линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения низких температур начиная с 100 0С, кварцевое стекло используется для температуры 400¸1500 0С, а оптическое стекло для температур 950 0С и выше.

ПСИ измеряют температуру от 100 до 3500 0С. Основная допустимая погрешность  технических промышленных пирометров возрастает с увеличением верхнего предела измерения и для температур 1000, 2000 и 3000 0С составляет соответственно ±12; ±20 и ±35 0С.

Радиационные пирометры.

В отличие от оптических пирометров с исчезающей нитью и цветовых пирометров, в радиационных пирометрах используется тепловое действие полного  излучения нагретого тела, включая  как видимое, так и не видимое  излучение. В связи с этим радиационные пирометры называются также пирометрами  полного излучения. В качестве чувствительного  элемента в радиационных пирометрах используется термобатарея из нескольких миниатюрных последовательно соединенных  термопар 2 (рис.3), рабочие спаи которых  нагреваются излучением объекта  измерения (1), фокусируемых с помощью  оптической системы (3). Возникающая Т.Э.Д.С. измеряется с помощью милливольтметра или автоматического потенциометра (4), градуированного в градусах.

Рис.3

 

Зависимость между полной энергией излучения абсолютно черного  тела и его температурой выражается уравнением

                 ( 4 )

где, ET - полная энергия излучаемая телом при абсолютной температуре Т за одну секунду с поверхности площадью 1 см2;

- коэффициент пропорциональности  равный 5,75 вт/см2 град.4

Для тел, не являющихся абсолютно черными,

               ( 5 )

где,  - коэффициент излучающей способности, определенный для полного излучения тела.

Радиационные пирометры градуируются по абсолютно черному телу и показывают так называемую "радиационную" температуру. Связь между истинной температурой тела и его радиационной температурой, показываемой прибором, находится из формул (4) и (5).

(6)

где, Тр - радиационная температура тела, показываемая радиационным пирометром. Так как <1, то истинная температура больше радиационной. Поправка, которые необходимо вносить в показания радиационного пирометра для определения истинной температуры, могут достигать нескольких сотен градусов, если объект измерения по своим радиационным свойствам значительно отличается от абсолютно черного тела.

Положительной особенностью радиационных пирометров является то, что их можно  применять также и для измерения  невысоких температур, при которых  объект измерения не дает видимого излучения. Возможно также измерение  температуры тел, более холодных, чем окружающая среда. В последнем  случае термобатарея не нагревается, а  охлаждается во время радиационного  теплообмена между ней и объектом измерения. В условиях, когда разница  температур объекта измерения и окружающей среды невелика, необходимо тщательное термостатирование свободных концов термопар или всего корпуса телескопа пирометра.

В настоящее время радиационные пирометры применяются для измерения  температур в диапазоне от -40 до 2500°С. Особенно удобно применение радиационных пирометров для бесконтактного измерения  невысоких температур, при которых  методы оптической и цветовой пирометрии неприемлемы, например, для измерения  невысоких температур движущихся предметов.

Радиационные пирометры, как и  цветовые, пригодны для непрерывного измерения и регистрации температуры, а также для применения в системах автоматического регулирования. При  измерении температуры тел, близких  по излучающей способности к абсолютно  черному телу, основная погрешность  измерения не превышает 1% верхнего предела измерения. Для обеспечения  точности измерения радиационным пирометром необходимо, чтобы изображение объекта, создаваемое объективом на рабочих  спаях термопар, полностью покрывало  рабочие спаи. Для большинства  применяемых типов радиационных пирометров диаметр излучающей поверхности  объекта должен быть не менее  расстояния от объектива до излучающей поверхности. При слишком малой излучающей поверхности показания прибора будут заниженными. Источником погрешностей измерения может быть также недостаточная прозрачность среды между телескопом и объектом измерения и загрязнение оптики телескопа. Для защиты пирометров от случайных повреждений различными выбросами газов и раскаленных частиц, например, при измерении температуры в топках котлов применяют так называемые капильные трубки. Калильную трубку изготавливают из огнеупорного материала и помещают в топку котла закрытым концом внутрь. Пламенем топки трубка быстро нагревается, и температура ее становится равной температуре топки. Телескоп радиационного пирометра направляется во внутреннюю полость трубки, выполняющей роль излучателя, и затем в обычном порядке производят измерение температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

При всем разнообразии существующих термометров и датчиков температуры  в производстве возникают задачи, которые не под силу современным  контактным цифровым термометрам. Оборудование и устройства многих технологических  циклов и процессов не позволяют  установку контактных датчиков или  показывающих приборов для контроля температуры по ряду технических  причин, либо установка и монтаж подобных датчиков и приборов затруднена. Ввиду актуальности такой проблемы были разработаны специальные инфракрасные термометры (пирометры), позволяющие измерять температуру в труднодоступных, горячих, вращающихся или опасных местах.

Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в промышленности, быту, сфере ЖКХ, на предприятиях, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль). Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Их можно применять в качестве теплолокаторов (усовершенствованные модели), для определения областей критических температур в различных производственных сферах.