Устройство и принцип работы оптических преобразователей температуры

Пирометрические методы измерений температуры ох­ватывают широкий диапазон температур — от 173 до 6000К, включающий в себя низкие, средние и высокие температуры. Эти методы основаны на определении параметров теплового излуче­ния объекта без нарушения его температурного поля. Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, воз­буждаемое тепловым движением атомов и молекул в твердых, жидких и газообразных веществах. При температурах выше 4000К излучение вызывается процессами диссоциации и иони­зации.

Теория пирометрических методов измерений температуры основана на законах, устанавливающих связь между излучением абсолютно черного тела (АЧТ) и его температурой. Абсолютно черным телом называется тело, поглощающее все падающее на него излучение и соответственно способное при данной температуре излучать максимальную энергию. Хорошим приближением к АЧТ является закрытая со всех сторон полость с малым отвер­стием, площадь которого пренебрежимо мала по сравнению с об­щей поверхностью полости.

Разработка чувствительных приемников инфракрасного (ИК) излучения позволяет применять, пирометрические методы для измерения не только высоких, но и низких температур. Приборы для измерения температур объектов по их тепловому электро­магнитному излучению называются пирометрами.

В зависимости от естественной входной величины пирометры разделяются на:

· пирометры полного излучения (радиационные пирометры), воспринимающие полную (интегральную) энергию излучения,

· пирометры частичного излучения (яркостные пирометры), основанные на зависимости от температуры энергетиче­ской яркости излучения в ограниченном диапазоне длин волн,

· пирометры спектрального отношения (цветовые пирометры), в которых используется зависимость от температуры отношения спектральных плотностей энергетических яркостей на двух или нескольких длинах волн.

Пирометры прямого преобразования обычно состоят из опти­ческой системы, приемника излучения, измерительной цепи с вторичным прибором,  а в ряде случаев с микропроцессорным вычис­лительным устройством. В пирометрах уравновешивающего пре­образования, кроме того, имеется образцовый источник излуче­ния.

В зависимости от вида оптической системы, с помощью ко­торой излучение передается на приемник излучения, пирометры разделяются на:

· рефракторные с собирающей линзой,

· рефлек­торные с собирающим зеркалом,

· световодные,

· комбинирован­ные.

Пирометры полного излучения, или радиационные пирометры. Эти пирометры основаны на зависимости от температуры инте­гральной мощности излучения АЧТ во всем диапазоне длин волн, определяемой законом Стефана - Больцмана. Для реального тела эта зависимость определяется выражением , где  — коэффициент теплового излучения (коэффици­ент излучательной способности), зависящий от материала излучателя и от состояния и температуры его поверхности. Например, для стальных изделий в зависимости от появления на них ока­лины значение  может изменяться от 0,1 до 0,9. Пирометр, гра­дуированный но излучению АЧТ, при измерении на реальном объекте покажет так называемую радиационную температуру (Тp), значение которой всегда меньше действительной температуры объекта (Т).

Радиационной температурой объекта называется та­кая температура АЧТ, при которой его полная мощность излучения (плотность излучения во всем диапазоне длин волн) равна полной мощности излучения рассматривае­мого объекта при температуре Т. Связь между Тр и Т определяется из равенства  откуда .

Пирометры полного излучения применяются для измерения в диапазоне температур от -50 до +3500°С. Наиболее целесо­образно использовать такие пирометры для измерения темпера­туры объектов, излучающие свойства которых мало отлича­ются от свойств АЧТ. Этому условию удовлетворяют большин­ство закрытых печей и топок с малым отверстием, кожа человека, стекло, резина и т.д.

При­емники излучения в пирометрах полного излучения должны иметь спектральную характеристику, близкую к характеристике АЧТ.

Для повышения точности пирометров полного излучения в корпусе телескопа устанавливается образцовый источник излучения в виде АЧТ, температура которого поддерживается посто­янной. При помощи дифференциальной измерительной цепи сравниваются мощности излучения измеряемого объекта и АЧТ, потоки излучения которых, с помощью вращающегося или колеблющегося зеркала попеременно подаются на приемник.

Разработаны различные оптические устройства, расширяю­щие области применения пирометров. Например, изготавливаются пирометры с волоконной оптикой для измерения температуры в диапазоне 400-3000°С. Используются световоды длиной до 10 м. Такие пирометры обеспечивают измерение температур объ­ектов диаметром от 1 мм, а также температур в герметичных объемах. Такой канал передачи не чувствителен к помехам и из­менениям параметров промежуточной среды.

Пирометры частичного излучения основаны на использова­нии зависимости от температуры мощности излучения в ограни­ченном диапазоне длин ноли. Рабочий диапазон измерений таких пирометров от –100 до +6000°С. Основная погрешность изме­рения для различных типов пирометров лежит в пределах 0,25— 2,5%, быстродействие 0,001 - 2,5с.

Разновидностью пирометра частичного излучения является монохроматический яркостный пирометр, основанный на сравне­нии энергетической яркости объекта исследования с энергетиче­ской яркостью образцового излучателя в узком участке спектра излучения. В качестве образцовых излучателей обычно исполь­зуются лампы накаливания с плоской вольфрамовой нитью, ко­торые при температуре нити ниже 1500°С имеют стабильную зависимость яркости от тока накала нити.

Вследствие неполноты излучения реальных тел яркостные пи­рометры измеряют не действительную температуру тела Т, а так называемую яркостную температуру Тя. Соотношение между дей­ствительной и яркостной температурами, как следует из законов излучения, определяется выражением

                                           (4.7)

где  — коэффициент теплового излучения для длины волны . Большинство яркостных пирометров, работающих в видимой области спектра, снабжаются красным светофильтром, обеспечивающим эффективную длину волны, равную (0,656±0,008) мкм.

В зависимости от материала излучателя и состояния его по­верхности значения коэффициента теплового излучения ко­леблются в широких пределах: 0< ≤1. Так, при = 0,65 мкм для полированной меди он равен 0,03, для серебра 0,04 — О.07, для вольфрама 0,6, для окисленного железа 0,6 — 0,9, для сили­катных огнеупоров 0,9 и т. д.

Сравнение энергетических яркостей объекта исследования и образцового излучателя может осуществляться автоматически или визуально человеком, глаза которого очень чувствительны к слабым интенсивностям света. Широкое применение для изме­рения температур в диапазоне 300—6000°С получили визуальные пирометры с исчезающей нитью.

В таком пирометре изображение объекта путем перемеще­ния объектива совмещается с пло­скостью нити лампы накаливания. Наблюдая изображения объекта и нити через светофильтр и окуляр, наблюдатель меняет ток накала нити лампы до тех пор, пока середина на­каленной нити не исчезнет на фоне изображения объекта. Это свидетельствует о ра­венстве энергетических яркостей излучающего объекта и нити в области спектра, определяемого характеристикой пропускания красного фильтра  и спектральной характеристикой чувстви­тельности глаза наблюдателя , максимум которой для нор­мальных глаз соответствует длине волны  мкм.

Зависимость между током лампы и яркостной температурой определяется путем градуировки термометра по температуре АЧТ. Шкала такого пирометра имеет резко нелинейную харак­теристику, поскольку яркость нити примерно пропорциональна пятой степени тока накала нити. Равномерную шкалу можно по­лучить, если ток накала нити и, следовательно, ее температуру поддерживать постоянными, а выравнивание яркости нити и объекта осуществлять перемещением нейтрального поглотителя с переменной плотностью, устанавливаемого между объективом и температурной лампой. Яркостная температура в этом случае определяется по шкале отсчетного устройства, регистрирующего положение клина.

Для увеличения верхнего предела измерения пирометров при­меняются нейтральные поглотители с известным коэффициентом пропускания , который определяется из выражения

                               (4.8)

где — длина волны;  — вторая постоянная излучения; - температура АЧТ, измеренная пирометром без поглотителя; - температура АЧТ, измеренная при наличии поглотителя.

Сравнение яркостей производится с погрешностью примерно 1%, но обусловленная этим погрешность измерения температуры не превышает 0,1% вследствие того, что яркость тела увеличива­ется значительно быстрее, чем его температура.

Пирометры спектрального отношения, или цветовые пиро­метры. Они показывают так называемую цветовую температуру тела Тц - условную температуру, при которой АЧТ имеет такое же относительное спектральное распределение энергетической яр­кости, что и исследуемое реальное тело с действительной темпе­ратурой Т.

Показания пирометра спектрального отношения соответствуют действительной температуре, если объект является абсолютно черным или серым телом, т. е. таким телом, у которого излучающая способность для всех длин волн одинакова.

Если  зависит от длины волны, то связь между действительной и цветовой температурой определяется выражением:

    (4.9)

где  и — коэффициенты излучающей способности тела со­ответственно на длинах волн  и .

Из выражения (12-3) следует, что пирометры спектрального отношения, в отличие от пирометров полного или частичного из­лучения, показывают действительную температуру серых тел и их показания не зависят от излучательной способности тела до тех пор, пока = .

Для многих тел не остается постоянным с изменением длины волны. У металлов  уменьшается с ростом длины волны, у неметаллических тел в ряде случаев , наоборот, увеличивается. Поскольку при >  величина … , то измеренная цветовая температура, как следует из выражения (4.9), может быть больше, меньше действительной температуры или равна ей. Из этого же выражения следует, что цветовая температура  тела тем ближе к действительной температуре, чем больше раз­ность - .

В целом погрешности пирометров спектрального отношения меньше, чем у пирометров полного или частичного излучения. Их показания принципиально не зависят от расстояния до объ­екта исследования, а также от поглощения излучения в промежу­точной среде между объектом и пирометром, если = .

В большинстве серийно выпускаемых пирометров модуляция излучения осуществляется при помощи механических модулято­ров, приводимых в движение синхронными микродвигателями. В качестве приемников излучения применяются термобатареи (в пирометрах полного излучения), фотодиоды, фоторезисторы или пироэлектрические приемники. В некоторых приборах при­емники излучения термостатированы. Большинство пирометров имеют стандартный выходной сигнал постоянного тока 0—5 мА или 4—20 мА и постоянного напряжения 0—100 мВ или 0—10 В.

Высокотемпературные пирометры частичного излучения для контроля температуры. Пирометры (инфракрасные термометры) серии “Кварц”, изготавливаются как в переносном, так и в стационарном исполнении.

В основе работы пирометра лежит принцип преобразования инфракрасного излучения, принимаемого чувствительным элементом в электрический сигнал, пропорциональный спектральной мощности потока излучения. Первичный пирометрический преобразователь состоит из объектива, аппертурной диафрагмы, полевой диафрагмы, конденсора, модулятора излучения, фотоприёмного устройства, устройств термокомпенсации приёмника излучения, блоков предварительного усиления сигналов фотоприёмника.

Высокая точность результатов достигается:

· подбором индивидуальных светофильтров в зависимости от физических свойств измеряемой среды;

· узким спектральным диапазоном, в котором производятся измерения и усреднение нескольких мгновенных значений температуры.

Приборы отличаются точностью, просты и удобны в работе. Для определения температуры достаточно навести прибор на измеряемую точку, и получить измеренную температуру. Нет необходимости в их фокусировке, калибровке.

 

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: