Пирометры излучения

Пирометры излучения относятся к приборам бесконтактного метода измерения температур. Их действие основано на функциональной зависимости яркости, светового излучения, распределения энергии по спектру излучения от температуры тела.

Вследствие большого разнообразия характера излучения реальных тел установить законы излучения для каждого тела в отдельности не представлю возможным. Поэтому законы излучения установлены теоретически абстрагированного тела, называемого абсолютно черным, с коэффициентом поглощения, paвным единице. Реальные тела по степени поглощения им чистой энергии отличаются от абсолютно черного и имеют коэффициенты поглощения меньше единицы. Вследствие этого пирометры, основанные на закона лучения для абсолютно черных тел, измеряют так называемые псевдотемпературы, которые тем больше отличаются от истинных температур реальных тел, чем сильнее; характер излучения этих тел отличается от характер лучения абсолютно черного тела. В этом заключается принципиальный недостаток бесконтактных методов измерения температуры. Для перехода от псевдотемператур к температурам реальных тел необходимо вводить поправку на степень черноты тела, но это не всегда можно, так как в большинстве случаев неизвестен коэффициент черноты реального тела.

В зависимости от использования свойств теплового излучения, вытекающих из законов излучения, наиболее широко распространенным являются следующие методы пирометрии:

1. Метод яркостной (оптической) пирометрии, исполь­зующей для измерения температур тел изменение яркос­ти тела в данной длине волны в зависимости от темпера­туры. Пирометры, основанные на этой зависимости, на­зывают оптическими или фотоэлектрическими в зависи­мости от применяемого чувствительного элемента.

2. Метод радиационной пирометрии, использующей зависимость общего количества энергии, излучаемой те­лом в широком спектральном интервале, от температуры тела. Такие пирометры называют радиационными,

3. Метод цветовой пирометрии, основанный на изме­нении распределения энергии внутри данного участка спектра излучения тела от температуры последнего. Пи­рометры, основанные на этой зависимости, называют цветовыми.

Их действие ос­новано на функциональной зависимости яркости, тепло­вого излучения, распределения энергии по спектру излу­чения от Т⁰С тела. Реальные тела по степени поглощения ими лу­чистой энергии отличаются от абс. черного тела и имеют коэф. поглощения меньше 1. В этом заключ. принципиальный недостаток бесконтактных м-в из­мер-я Т⁰С. Существуют два основных способа измерения Т⁰С, кот. делятся на (в прокатном переделе используются методы № 4,5,7,8):

Контактный:	Бесконтактный:
1 жидкостно-стеклянный термометр;	7 оптические и радиационные пирометры;
2 монометрический и газовый термометр;	8 цветовые пирометры;
3 дилатометрический метод;	9 измерение температуры пламени и плазмы.
4 термометр сопротивления;
5 термоэлектрический термометр;
6 метод реперных точек.

Бесконтактные пирометры регистрируют излучение испускаемое телом. На примере диаграммы влияния Т⁰С нагретого тела на непрерывный спектр теплового излучения рассмотрим три группы пирометров (t₁>t₂>t₃>t₄>t₅).Где Е – энергия излучения, – длина волны. С увел. Т⁰С смещение экстремума в коротковолновую зону излучения увел. суммарной энергии излучения.

1. Для оптических и фотоэлектрических пирометров из всего спектра с помощью светофильтра вырезается определенная длина волны. , для каждой Т⁰С свое значение энергии.

2. Для радиационных пирометров Т⁰С определяется в зависимости от суммарного излучения. – для пункта 2; для пункта 3 –

3. Для цветовых пирометров Т⁰С определяется как функция отношения энергии излучения двух волн.

Оптические и радиационные пирометры измеряют интенсивность теплового излучения тел, Т⁰С диапазон измеряется от 100⁰С и выше. Цветовой пирометр измеряет распределение энергии в сплошном спектре теплового излучения, Т⁰С диапазон измер-я от 400⁰С и выше. Измерение Т⁰С пламени и плазмы осущ-ся за счет закономерности спектрального излучения газообразных тел.

Оптический пирометр с эталоном сравнения измеряемой яркости (ручные и стационарные).

С помощью реостата измеряют яркость свечения спирали, регулируют одинаковость свечения спирали и тела, смотрят значение на милиамперметре. Погрешность пирометров . Т⁰С диапазон измерения нижн. (800 – 1400) ⁰С и верх. (1200 – 2000) ⁰С и др.

Радиационный пирометр весь световой поток с помощью оптической системы фокусируется в одну точку (почти) и в зону действия фокуса помещается спаянные термопары. Чем выше энергия, кот. направлена на фокус, тем выше Т⁰С термопары (основа пирометра – кинескоп).

Для измерения радиационных температур на практи­ке используют тепловое действие лучей нагретого тела, температура которого под температура которого подлежит измерению.

Радиационный пирометр состоит из трех основных ча­стей устройства для концентрации потока энергии, ис­ходящего из источника, на теплочувствительный орган пирометра; теплочувствительного органа, показывающих или самопишущих приборов Первые две части объеди­нены конструктивно вместе и составляют часть пиромет­ра, обычно называемую телескопом. Лучи, исходящие из источника на теплочувствительный орган пирометра, обычно концентрируются с помощью вогнутого зеркала или лучепреломляющей оптической линзы. Пирометры с зеркалом называют радиационными пирометрами реф­лекторного типа, а пирометры с лучепреломляющими оп­тическими линзами — рефракторными. В качестве тепло-чувствительного органа прибора применяют миниатюр­ную термобатарею из нескольких соединенных термопар, горячие спаи которых обычно монтируют на зачерненной пластинке из фольги. Термобатарею помещают в защит­ную стеклянную колбу, наполненную воздухом или ар­гоном.

Недостаток – если измеряется Т⁰С г/п погрешность измерения увеличивается (за счет: окалины, воды, атмосферной пыли на поверхности), т.к. пирометр измеряет абсолютное значение энергии излучения (уровня излучения). Погрешность пирометров . Т⁰С диапазон измерения нижний (400 – 1000) ⁰С и верхний (2200 – 3000) ⁰С и др.

Фотоэлектрические пирометры бывают:

1. Прямого измерения светового потока – очень простая схема в использовании.

2. Компенсационного измерения светового потока – в момент измерения световые потоки Ф1 и Ф2 д/б выровнены; через обтюратор световые потоки должны быть попеременно подаваться; потоки должны быть одинаковы при попадании на фотоэлемент (недостаток – из-за наличия переменной составляющей потоки не постоянны); на выходе с фотоэлемента идет постоянное напряжение, а по потоку лампы (Ф2) можно оценить поток (Ф1). Погрешность пирометров и более. Т⁰С диапазон измерения (800 – 1300) ⁰С.

Рис. Схема фотоэлектрических пирометров:

а — схема прямого измерения светового протока;

б — компенсационная схе­ма

измерения светового потока;

1 — контролируемое тело;

2 — объектив; 3 — светофильтр;

4 — фотоэлемент; 5 — усилитель;

6— диск прерывателя (обтюратор);

7 — электродвигатель;

8 — синхронный детектор;

9 —лампа источника сравнения;

10 —зеркальная призма;

11 — зеркало

На рис. приведены принципиальные схемы основ­ных видов фотоэлектрических пирометров. Отличаются они по тому, какую роль в измерительной схеме прибора играет фотоэлемент. К первой группе (рис. а) отно­сятся фотоэлектрические пирометры, в которых величина фототока или фотосопротивление являются мерой пада­ющего на его катод светового потока, а следовательно, и мерой яркостной температуры визируемого объекта. Эти пирометры проще по конструкции, однако менее точные, так как характеристики фотоэтементов меняются со временем и существенным образом влияют на ре­зультат измерения.

Вторая группа (рис. б) включает приборы, в кото­рых фотоэлемент служит средством для уравнивания световых потоков, попадающих на поверхность катода от двух источников — одного с измеряемой яркостной тем­пературой и второго, используемого в качестве источни­ка сравнения. В этом случае изменение характеристик фотоэлемента с течением времени не вызывает погреш­ности измерения яркостной температуры. В качестве источника сравнения обычно используют лампу с извест­ной зависимостью яркостной температуры от силы тока. Для измерения применяют один фотоэлемент, на кото­рый свет от двух источников падает попеременно. Это достигается либо с помощью вращающегося диска с от­верстием, либо с помощью вибрирующей заслонки. При неравенстве освещенностей в цепи фотоэлемента возни­кает переменный ток, который усиливается, выпрямляется и подается на лампу источника сравнения. Измене­ние тока в лампе происходит до тех пор, пока на катоде фотоэлемента ее уравняются освещенности от двух ис­точников излучения.

Приборы первой группы применяют для измерения нестационарных температур с осциллографической реги­страцией измерительного сигнала. Быстродействие при­боров второй группы обычно определяется инерцион­ностью вторичных приборов, поэтому их часто исполь­зуют для измерения малоизменяющихся температур. Ко второй группе относится фотоэлектрический пирометр ФЭП-3 (или его модификация ФЭП-4), который нашел широкое применение для измерения и записи яркостной температуры металла в процессе нагрева и прокатки. Упрощенная схема действия фотоэлектрического пи­рометра ФЭП-4 приведена на рис. 15.

Рис. 15. Схема фотоэлектрического пирометра ФЭП-4

Изображение визируемой поверхности фокусиру­ется линзой 2 на отверстие 7 в держателе светофильтра 9, установленного перед фотоэлементом 6. Диафрагма 3 и отверстие ограничивают световой поток, падающий на фотоэлемент. Если изображение нагретой поверхности полностью перекрывает отверстие, то световой поток, падающий на катод фотоэлемента, пропорционален яр­кости визируемой поверхности и, следовательно, ее тем­пературе.

Через отверстие 8 в том же держателе светофильтра на фотоэлемент падает световой поток от лампы обрат­ной связи 15. При помощи этой лампы в приборе дейст­вует отрицательная обратная связь по световому пото­ку. Световые потоки от визируемого тела и от лампы обратной связи с помощью вибрирующей заслонки 10 модулируются с частотой 50 гц в противофазе. Благода­ря этому через фотоэлемент течет ток, переменная сос­тавляющая которого пропорциональна разности этих потоков. Переменная составляющая фототока усилива­ется усилителем 11 и выпрямляется фазочувствительным детектором 12. Выпрямленное напряжение поступает на сетку выходного каскада усилителя 13, в катодную цепь которого включена лампа обратной связи.

Если световой поток от лампы обратной связи боль­ше потока от визируемой поверхности, то лампы выход­ного каскада частично запираются, ток в цепи лампы уменьшается, вследствие чего уменьшается и световой поток от этой лампы. Если же световой поток от лампы меньше светового потока от визируемой поверхности, то ток в цепи лампы, наоборот, возрастает и световой поток от нее увеличивается. Таким образом, световой поток лампы все время соответствует яркости, а следователь­но, и температуре визируемой поверхности. Поэтому ток в цепи лампы характеризует температуру визируемой поверхности.

Последовательно с лампой обратной связи включено калиброванное сопротивление 14. Падение напряжения на этом сопротивлении, пропорциональное току лампы, измеряется электронным потенциометром 16.

Таким образом, измерение температуры сводится к измерению падения напряжения, вызванного током лампы обратной связи. Благодаря глубокой отрицатель­ной связи по световому потоку колебания напряжения питания, снижение чувствительности фотоэлемента и из­менение других параметров электрической схемы пиро­метра мало влияют на показания прибора.

Для наводки пирометра на контролируемое тело слу­жит зеркало 4. На нем отражается отверстие 7 вместе с изображением визируемого объекта, которое наблюда­ют в окуляр 5.

Фотоэлектрический пирометр ФЭП-4 состоит из пяти отдельных блоков, электрически соединенных между со­бой: 1) визирной головки в кольцевом кронштейне;

2) силового блока; 3) стабилизатора напряжений; 4) разделительного трансформатора; 5) электронного потенциометра.

Основная погрешность одношкальных приборов не превышает ±1% от верхнего предела измерения и двух-шкальных приборов при пользовании шкалой 1200— 2000° С ±20 град. Порог чувствительности пирометра 0,1 % от верхнего предела измерения по соответствующей шкале.

В пирометрах ФЭП-4 с нижним пределом измерения 800° С применяют вакуумные сурьмяно-цезневые фото­элементы CЦB-51 и СЦВ-3,чувствительные только к излучению в видимой области спектра. Перед фотоэлементом установлен красный светофильтр КС-13, пропускающий только излучение с длиной волны более 0,6 мкм. Таким образом, фотоэлемент в сочетании со светофильтром реа­гирует на излучение с длиной волны от 0,60 до 0,72 мкм. При этом эффективная длина волны пирометра в интер­вале измеряемых температур остается практически по­стоянной, равной приблизительно 0,65 мкм. Следует от­метить, что эффективная длина волны обычных оптиче­ских пирометров с исчезающей нитью также принимается равной 0,65 мкм. Поэтому показания фотоэлектрического пирометра ФЭП-4 с указанными пределами измерения практически совпадают с показаниями оптического пи­рометра независимо от коэффициента излучения визи­руемого объекта.

В пирометрах с нижним пределом измерения <800°С применяется кислородно-цезиевый фотоэлемент ЦВ-3, чувствительный к излучению с длиной волны от 0,4 до 1,2 мкм в сочетании с тем же светофильтром КС-13. Эф­фективная длина волны этих пирометров лежит в преде­лах от 0,9 до 1,1 мкм, и показания их несколько отлича­ются от показаний оптического пирометра. Однако на практике это большого значения не имеет, так как для измерения температуры <800° С оптические пирометры, как правило, не применяются.