Главная | Обратная связь

Радиационные пирометры

Радиационные пирометры (суммарного излучения) определяют температуру тела по плотности интегрального излучения лучей всех длин волн, теоретически от = 0 до = ∞. Практически оптическая система радиационных пирометров обычно ограничивает пропуска­ние длинных волн. У стекла коэффициент пропускания волн резко уменьшается при ≈2,5 мк, достигая нулевого значения для ≥3 мк. Оптический кварц нормально пропускает волны длиной ≈3,5 мк, после чего коэффициент пропускания волн снижается, достигая нуля для ≥4,2 мк. При измерениях низких температур порядка 100°С, когда интенсивность излучения коротких волн ( <1,0—1,5 мк) становится ничтожно малой и интеграль­ное излучение определяется длинноволновой частью спектра, при­меняют для оптических систем другие материалы, например синте­тический фтористый литий. Последний при толщине 2 мм имеет границу пропускания ≈9 мк. Очевидно, что в таких условиях пирометры строго не подчиняются закону Стефана—Больцмана.

Приемник интегрального излучения должен быть практически чувствительным ко всем длинам волн измеряемого участка спектра и выполняется обычно в форме тонкой металлической пластинки, покрытой сажей. Температура пластинки устанавливается в резуль­тате теплового равновесия между подводимым потоком лучистой энергии и теплоотводом от пластинки в окружающую среду.

Температура пластинки обычно измеряется несколькими последова­тельно соединенными термопарами (термобатареей).

Рис. 16. Схема приемника из­лучения с термобатареей из шести термопар

 

На рис. 16 показана схема приемника излучения с термобата­реей из шести термопар. Рабочие концы термопар 2 расклепыва­ются в форме Отдельных тонких секторов 4, зачерняются и распо­лагаются в виде венчика. Поток лу­чистой энергии воспринимается пло­щадью, диаметром, несколько большим диаметра зачерненных сек­торов. Свободные концы термопар привариваются к тонким металличе­ским пластинкам 1, прикрепленным к слюдяному кольцу 3 и находятся вне зоны лучистого потока. Слюдя­ное кольцо зажимается в металли­ческом корпусе. Температура сво­бодных концов термопар близка к температуре корпуса. В современ­ных радиационных пирометрах типа «Рапир» приемник излучения состо­ит из десяти термопар, собранных по схеме, изображенной на рис. 16. Металлический корпус с прием­ником излучения, оптической систе­мой и другими дополнительными устройствами называют телеско­пом радиационного пирометра.

В старых конструкциях радиационных пирометров приемник излучения вме­сте с термопарами помещался в стеклянном баллончике, наполненном воздухом или инертным газом, и имел вид электрической лампочки. Температура свобод­ных концов термопар в этом случае уже заметно отличалась от температуры корпуса телескопа.

Иногда в качестве приемника излучения применяют болометры. Болометры представляют собой миниатюрные металлические или полупроводниковые пла­стинки, покрытые металлической чернью или сажей и меняющие свое электриче­ское сопротивление при нагревании лучистым потоком. Болометры могут воспри­нимать излучение волн практически всех длин.

Можно, в принципе, использовать и любые другие теплочувствительные эле­менты.

Оптическая система телескопа предназначается для концент­рации измеряемого потока лучистой энергии на приемнике излу­чения. Существуют две разновидности оптических систем: рефракторная-преломляющая (с линзой) и рефлекторная-отражающая (с собирательным зеркалом).

Рефракторные оптические системы (рис. 17, а) концентрируют лучистый поток после линзы 1 и диафрагмы 2 внутри конуса с уг­лом . Рабочая часть приемника излучения 3 лежит внутри конуса. Для наводки на измеряемое тело служит окуляр 4, закрываемый для защиты глаза красным или дымчатым светофильтром 5. Патру­бок 6 используется для вывода проводов от термобатареи.

Рефракторные системы ограничивают пропускание длинных, волн (за счет линз). Это вызывает значительные отклонения от закона Стефана—Больцмана и от вычисляемых на основании этого закона разностей между действительной и радиационной тем­пературой. Градуировка рефракторных пирометров, по суще­ству, получается эмпирической, не связанной строго с законами излучения.

Рис. 17. Схемы телескопов радиационных пирометров: а — с рефракторной оптической системой; б — с рефлекторной оптической систе­мой

Рефлекторные оптические системы (рис. 17,б) концентрируют лучистый поток с помощью вогнутого стального позолоченного зер­кала 7. Концентрированный лучистый поток попадает на приемник излучения 3 со стороны, противоположной положению измеряемого тела относительно телескопа. Наводка на измеряемое тело осущест­вляется с помощью окуляра 4 со светофильтром 5 через отверстие в центре зеркала.

Рефлекторные системы не имеют постоянных промежуточных источников поглощения между измеряемым телом и приемником излучения. Позолоченные поверхности зеркала почти полностью отражают лучи всех длин волн, начиная от ≈0,5 мк. При изме­рениях относительно низких температур, когда излучение коротких волн ничтожно мало, рефлекторные системы почти полностью соот­ветствуют закономерностям Стефана—Больцмана.

К сожалению, в эксплуатации открытые поверхности зеркал оказываются неудобными из-за их загрязнения и потускнения. Применение защитных стекол сводит на нет достоинства рефлекторных систем. Поэтому рефлекторные системы используют лишь при бес­контактных измерениях низких температур, когда максимум излу­чения значительно смещается в сторону длинных волн.

Точность измерения радиационными пирометрами всех конст­рукций существенно зависит от температуры внешней поверхности телескопа. При постоянной температуре измеряемого тела и, следо­вательно, постоянной температуре t приемника излучения, термо-э.д.с. термобатареи изменится, если возникнут изменения темпера­туры телескопа и в связи с этим изменится температура свободных концов термопар t₀.

Для компенсации температуры свободных концов t₀ термопар в пирометрах, серийно изготовляемых в СССР, применяют два метода. По первому методу шунтируют термобатарею сопротивле­нием R_ш из никелевой или медной проволоки. Для этого сопротив­ление устанавливают в корпусе телескопа так, чтобы температуры свободных концов термопар и сопротивления R_ш были практически одинаковыми. Этим создается замкнутая цепь (рис. 15), в которой устанавливается ток

где Е- термо-э. д. с., развиваемая термобатареей;

R_T — сопротивление термобатареи,

Ток i создает на участке ab падение напряжения

(28)

Так как E=f(T_p), то и =F(Т_р ) Величина падения напря­жения измеряется милливольтметром или потенциометром П, отградуированным в единицах радиационной температуры Т_р.

Рис. 18. Электрическая измерительная схема ра­диационного пирометра

 

Рис. .19. Схема компенсации температуры сво­бодных концов термопар радиационного пиро­метра с помощью биметаллических пластин: Т — измеряемое тело: К — корпус телескопа пиро­метра

 

Если температура свободных концов термопар увеличится, то термо-э.д.с. Е термопар уменьшится. Одновременно увеличится сопротивление R_ш, тем самым уменьшая значения знаменателя (28). Можно подобрать такое сопротивление R_ш, которое будет компенсировать изменение термо-э.д.с. Е.

По второму методу телескоп снабжается компенсирующим уст­ройством, состоящим из биметаллических пластин и диафрагмиру­ющих заслонок. При увеличении температуры корпуса телескопа, а вместе с ним и температуры свободных концов термобатареи, развиваемая ею термо-э.д.с. уменьшается. Уменьшение термо-э.д.с. компенсируется с помощью биметаллических пластин 2 (рис. 19), которые при повышении температуры корпуса деформируются и раскрывают диафрагмирующие заслонки 1. В результате увели­чивается поток тепловой энергии, поступающей к приемнику излу­чения 3, и повышается температура рабочих концов термопар тер­мобатареи, что и компенсирует увеличение температуры свободных концов.

Цветовые пирометры

Большинство современных цветовых пирометров, применяемых в промышленности, построено на принципе сравнения интенсив­ности излучения (яркостей) двух узких монохроматических участ­ков видимого спектра. Наибольший интерес представляют собой пирометры, использующие для оценки интенсивностей излучения фотоэлементы, так как это позволяет создать приборы, объективно и непрерывно измеряющие температуры.

Рис. 20. Упрощенная схема цветового пирометра ЦЭП-3

.

Интенсивность излучения каждого из двух участков спектра можно измерять своим фотоэлементом и, сравнивая фототоки от них, определять температуру. Однако с течением времени характе­ристики фотоэлементов изменяются неодинаково, что вносит погрешности в первоначальную градуировку прибора. Поэтому для определения интенсивности излучения обоих участков спектра пра­вильнее использовать один фотоэлемент.

На рис. 20 приведена в упрощенном виде схема цветового пирометра типа ЦЭП-3. Поток излучения от измеряемого тела Т поступает через объектив Об и диафрагму Д к обтюратору О,

вращаемому электрическим двигателем ЭД со скоростью 50 оборо­тов в секунду. На обтюраторе установлены два комплекта цветных стеклянных светофильтров СФ и КФ, пропускающих узкие диапа­зоны длин волн, соответствующих эффективным длинам синих и красных волн. В результате на фотоэлемент Ф поочередно попа­дают лучи то синей, то красной эффективной длины. Образующиеся импульсы фототока разной величины преобразуются в электронном усилителе ЭУ в сигналы, пропорциональные логарифму отношения фототоков — функции значения цветовой температуры.

Синхронный коммутатор СК позволяет усилителю ЭУ различать цвет входного сигнала. Результаты измерения фиксируются авто­матическим потенциометром АП.

Пирометром ЦЭП-3 можно измерять цветовые температуры в интервале 1400—2800°С. Весь этот интервал температур делится на поддиапазоны по 200—300°С, для каждого из которых исполь­зуется свой обтюратор со специально подобранными комплектами цветовых и поглощающих фильтров. Шкала пирометров ЦЭП-3 условная. Для перевода на цветовую температуру пользуются спе­циальными графиками для каждого поддиапазона измерения.

Допустимая погрешность и вариация показаний не должны пре­вышать 1 % от верхнего предела измерения соответствующего под­диапазона. В процессе эксплуатации за счет постепенного измене­ния спектральной чувствительности фотоэлемента, связанной с его старением, градуировка прибора изменяется, и необходимо при­мерно через каждые 30 суток ее корректировать. Поэтому при оценке погрешности измерения надо учитывать дополнительно величину погрешности образцовых или контрольных ламп, по кото­рым градуируется и поверяется пирометр.

Для снижения необратимых изменений характеристики фото­элемента последний помещают в термостат, тепловой режим кото­рого стабилизируется проточной водой.

Рис.21. Схема визуального цветового пирометра с применением люминофора

Из большого числа предложенных визуаль­ных цветовых пирометров простых конструкций интересен пирометр с использованием люминофо­ров. Люминофоры, например, цинк-кадмий-суль­фитные, обладают способностью трансформировать излучение одной области спектра в эквивалентное излучение другой области, в частности, синей в оранжево-красную.

На рис. 21 показана схема визуального люминофорного цветового пирометра. Поток излучения проходит через красный КФ и параллельно через синий СФ светофильтр, выделяющие соответствующие узкие области излучения. Синий участок спектра попадает на люминофор Л и преобразуется в оранжево-красное излучение. Красный участок спектра может ослабляться оптическим клином ОК. Процесс измерения температуры сводится к уравниванию на молочном стекле М.С с помощью клина ОК преобразованного синего излучения с ослабленным красным. Температуру отсчитывают по шкале, связанной с положением' клина. Погрешность 'измерения составляет примерно 30°С при температуре 2500 К. Нижний предел измерения при­близительно равен 2000 К.

За рубежом распространены портативные визуальные цветовые пирометры сравнительно небольшой точности измерения. Применяя эти термометры, всегда ограничиваются отсчитываемой цветовой температурой, не производя никаких пересчетов на действи­тельную.