Оптические пирометры

Рассмотренные выше термометры для измерения температуры являются контактными, которые предусматривают непосредственный контакт между чувствительным элементом термометра и окружающей или исследуемой средой. Верхний предел применения контактных методов измерения находится в пределах 2500°С. В промышленных и лабораторных исследованиях возникает необходимость измерять более высокие температуры, кроме того, часто недопустим непосредственный контакт термометра с измеряемым телом или средой. Таким термометром с допустимой погрешностью до 4 % является оптический пирометр (от греч. Pyr – огонь), принцип работы которого основан на использовании теплового излучения тел в видимой области спектра. Серийно выпускаемые пирометры применяются для измерения температур от 20 до 6000^°С. Такие средства измерения не имеют верхнего предела измеряемой температуры, он определяется соответствием спектров излучения измеряемых тел и спектральных характеристик устройств. Пирометры, применяемые для измерения температур, подразделяют на следующие типы: квазимонохроматические (яркостные), полного излучения (радиационные) и спектрального отношения (цветовые). Яркостные пирометры позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити. Цветовые пирометры позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах. Радиационные пирометры оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения.

1. Квазимонохроматические пирометры (яркостные пирометры)

Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости абсолютной температуры тела Т и спектрального распределения энергетической яркости, называется квазимонохроматическим пирометром. Эта связь устанавливается формулой Планка:

,

где С_1, С₂ – первая и вторая постоянные излучения; В_0lт – спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела;

l - длина волны.

Температура реального тела в квазимонохроматическом пирометре определяется по спектральной энергетической яркости излучения В_lт, а так как пирометр градуируется по излучению черного тела, то он покажет температуру абсолютно черного тела Т_я, при которой спектральные энергетические яркости тела В_lт и абсолютно черного тела В_0lт будут равны. Такая условная температура Т_я называется яркостной температурой.

Действительная температура тела определяется по яркостной температуре Т_я, показываемой пирометром, по выражению:

_,

где

Для определения Т необходимо знать длину волны l и коэффициент теплового излучения (коэффициент черноты) e_lт. Квазимонохроматические пирометры работают на участке длин волн, эквивалентных длине волны l = 0,65 мкм, коэффициент черноты e_lт в каждом конкретном случае уточняется с помощью дополнительных средств измерения. А

для широко используемых материалов приводится в теплотехнических справочниках.

Одним из наиболее распространенных квазимонохроматических пирометров является пирометр с исчезающей нитью (рис. 1.9).

Рис. 1.9 Оптический пирометр с исчезающей нитью

Он состоит из телескопа с объективом 1, в фокусе которого помещена вольфрамовая нить пирометрической лампы 5, окуляра 4, через который наблюдатель проводит измерение. За окуляром установлен светофильтр 3 , пропускающий лучи лишь одной длины волны. Между объективом телескопа и пирометрической лампой помещено поглощающее стекло 7, которое предназначено для ослабления яркости исследуемого объекта при измерении температур выше 1400°С, а также фильтры 2 с узкой полоской пропускания. Нить лампочки питается от аккумулятора, ее накал можно регулировать вручную реостатом 6.

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. Показывающий прибор 8 (миллиамперметр), включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому пирометру или по температурным лампам, в °С яркостной

Допускаемая погрешность таких приборов достигает 1,5 % от верхнего предела измерения.

 

2. Пирометры спектрального отношения

(цветовые пирометры)

Принцип работы пирометров спектрального отношения основан на измерении температуры путем измерения соотношения энергетических яркостей нагретого тела на двух узких участках длин волн в видимом спектре излучения. Получается, что с изменением температуры меняется цвет накаленного тела. При этом, если выделить в спектре излучения накаленного тела два монохроматических излучения с длинами волн λ₁ и λ₂ (соответствующих, например, красному и синему свету), то с изменением цвета будет меняться соотношение яркостей этих излучений.

Действительная температура тела Т определяется по цветовой температуре Т_ц из соотношения:

=

Чтобы определить действительную температуру Т по его цветовой температуре Т_ц, показываемой пирометром, необходимо знать длины волн l₁ и l₂, при которых определяется отношение спектральных энергетических яркостей и отношение коэффициентов черноты e_l1Т, e_l2Т при данных длинах волн. Ввиду того, что отношение e_l1Т, e_l2Т близко к единице, данный тип пирометров имеет наименьшую погрешность измерения, не превышающую 1% от верхнего предела измерения. Предел измерения температур составляет от 200 до 2800⁰С. Светочувствительным элементом пирометров спектрального отношения является фотоэлемент. Широкое распространение в области измерений нашел прибор ПИТ-1 (пирометр истинной температуры). В этом приборе осуществляется автоматическое введение поправки, вычисляемой на основе информации, хранящейся в его памяти.

Принципиальная схема цветового пирометра ЦЭП-2М представлена на рис.1.10.

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.

 

Рис. 1.10 Принципиальная схема цветового пирометра ЦЭП-2М

Сила тока пропорциональна величине lnR, т.е. линейно зависит от обратной величины абсолютной температуры тела 1/T. Выходной ток логарифмирующего устройства измеряется и регистрируется показывающим и регистрирующим магнитоэлектрическим гальванометром 7, шкала и диаграмма которого градуированы в градусах. 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.

В отличие от пирометров с исчезающей нитью на показания цветового пирометра практически не влияют изменения коэффициента излучающей способности тела, обусловленные изменением его температуры, состояния поверхности, состава и другими причинами, а также не влияет ослабление излучения не вполне прозрачной атмосферой между объектом и датчиком. Благодаря этому цветовой пирометр обеспечивает высокую точность измерения: основная погрешность при измерении температуры "серых" тел не превышает ±1% верхнего предела измерения для данного поддиапазона. Пирометр ЦЭП-2М предназначен для непрерывного измерения и регистрации температуры в металлургической промышленности и может также быть использован в системах автоматического регулирования производственных процессов.