Пирометры излучения

Общие сведения

Пирометр — средство измерения температуры, в основу которого положено использование теплового электромагнитного излучения нагретых тел.  В настоящее время ши­роко распространены энергетические пирометры, действие которых основано на зависимости энергетической яркости нагретого тела от температуры:

1)Радиационные (пирометры        полного     излучения)
2) Яркостные      (оптические).

3) Цветовые (спектрального отношения).

Область применения:

Непосредственный контакт датчика температуры и объекта измерения нежелателен или невозможен, т.е. при:

1. высокой температуре объекта измерения,
2. размещении объекта в агрессивной среде,
3. измерении температуры подвижных объектов.

Примеры применения:

1.Определение дефектов оборудования, профилактика и обслуживание электрических и механических устройств (переключатели, предохранители, подшипники электроприводов),

2. Утечка энергоносителей (пар, г.в.) при разгерметизации трубопроводов и клапанов;
3. Диагностика состояния зданий (сохранение тепла, проникновение влаги, качество системы кондиционирования и вентиляции).
4. Определение состояния технологических объектов (нефтепереработка, формы для отливки шоколада).

Выпускаются приборы для ручного измерения, а также для установки на технологической линии или агрегате.

 Радиационные пирометры излучения

Способность тел к излучению при характеризуется энергетической яркостью В(Т), которая является функцией температуры.  Зависимость между полной энергетической яркостью и темпе­ратурой тела выражается законом Стефана — Больцмана для аб­солютно черного тела

Энергия, излучаемая данным телом, характеризуется коэффициентом излучения. Данный коэффициент характеризует оптические свойства тела. Наибольшей излучающей способностью обладает абсолютно черное тело (ε=1). У большинства материалов она близка к 0,95, однако, у некоторых  материалов значение ε_т   довольно низкое (например, у алюминия ε=0,02, полированных объектов).   Так как для всех реальных тел , то, температура полного излучения тела всегда будет меньше его действительной температуры.

Закон Стефана — Больцмана положен в основу метода измере­ния температуры тел по их полному излучению. Условную темпе­ратуру реального тела , измеряемую этим методом, называют температурой полного излучения, а пирометры, предназначенные для ее измерения, -пирометрами полного излучения.

Для измерения температур используется  полный спектр излучения нагретого тела.

Лучистая энергия от нагретого тела (рис.1) с помощью оптиче­ской системы / (линза или зеркало) концентрируется на термочувствительном элементе 2. В качестве термочувствительных элементов широко применяют­ся миниатюрные термоэлектрические батареи, состоящие из не­скольких (от 10 до 300) последовательно соединенных термоэлек­трических преобразователей температуры. Сигнал измерительной информации которо­го подается на измерительный прибор 3.

Пирометры полного излучения с такой оп­тической системой применяются для измерения температуры от 400 до 3500° С.

Показания пирометров полного излучения сильно зависят от состояния объекта, среды, находящейся между объектом измерения и телескопом, температуры окружающей среды и т.п.

Градуировка радиационных пирометров соответствует излучению абсолютно черного тела. При измерении реальных температур тел, когда , такие приборы дают ошибку на неполноту излучения. Такая ошибка может достигать 25-30%. Для уменьшения ошибки измерения стараются искусственно приблизить поверхность излучающего тела к телескопу с помощью     визирной   трубки.

 Оптические (яркостные)  пирометры

Действие яркостных пирометров основано на использова­нии зависимости спектральной энергетической яркости от темпера­туры, описываемой для абсолютно черного тела формулой Планка.

Мерой температуры яв­ляется энергетическая яркость объекта, определяемая визуально или с помощью фотоэлектрических устройств для непрерывного измерения. Измерения производят на длине световой волны около 0,65 микрометра (красная волна). Выбор этой длины обусловлен:
1) На этой волне яркое свечение поверхности увеличивается значительно быстрее, чем температура поверхности. Это позволяет получить большую чувствительность прибора.
2) Излучение поверхности большинства реальных тел близки на этой волне к абсолютно черным. Это позволяет существенно снизить погрешность на неполноту излучения.
В пирометре с исчезающей нитью накала (рис.2) поток излучения нагретого тела соби­рается объективом  и проеци­руется на плоскость нити пи­рометрической лампочки . С помощью объектива осуществляется визуальное наблюдение за изображением нити лампоч­ки, пересекающим изображе­ние объекта. Нить лампочки нагревается от источника питания  постоянным током, изме­нением силы которого с помощью реостата  можно добиться оди­наковой яркости изображения объекта и нити. В этот момент часть нити, пересекающая изображение объекта, исчезает, После выравнивания яркостей производится отсчет показания пирометра по измерительному прибору ИП измеряющему силу тока или напряжение питания лампочки.

Яркостные пирометры выпускаются в различном конструктив­ном оформлении для измерения температуры от 800 до 10000 С,  обеспечивают погрешность от 0,7 до 3%. С. Трудность из­мерения температуры тел этими пирометрами заключается в правильном введении поправок на неполноту излучения реального тела. Коэффициенты черноты для различных материалов приводятся в соответствующих специальных таблицах, но необходимо учитывать, что они могут сильно изменяться в конкретных условиях измерений.

 Цветовые пирометры

Дальнейшее повышение точности измерения достигается в цветовых пирометрах. В них определяют температуру тела по результатам измерения интенсивности излучения в двух узких диапазонах спектра. В соответствии с законом Вина интенсивность излучения на каждой длине волны этого спектра является величиной постоянной и определяется только температурой поверхности тела в момент ее измерения. Если выделить в спектре излучения раскаленного тела два монохроматических излу­чения с длинами волн λ1 λ2 (соответствующих красному и синему цветам),  и измерить интенсивность излучения на каждой из них, то отношение интенсивностей будет однозначно определять температуру поверхности этого тела.

В пирометре спектрального отношения  излучение (рис.3) от объекта измерения через объектив 1 падает на фотоэлемент 3, перед которым установлен вращающийся диск-обтюратор 2 с встав­ленными в него двумя фильтрами — красным и синим. Фотоэлемент поочередно освещается то красным, то синим светом и выдает соот­ветствующие импульсы. Эти импульсы усиливаются электронным усилителем 4 и преобразуются логическим логарифмирующим уст­ройством 5 в постоянный ток, который регистрируется измеритель­ным прибором 6, отградуированным в единицах температуры.

При таком  алгоритме измерения результат не зависит ни от того, какая часть поля зрения пирометра заполняет поверхность нагретого тела, ни от того, попали ли в поле зрения прибора кроме нагретого тела еще какие-либо «холодные тела». Кроме того, в отличие от пирометров измерения полной энергии излучения, в них результаты измерения температуры окружающего воздуха

Пирометры спектрального отношения выпускаются для измере­ния температуры от 350 до 2800° С, отличаются высокой чувствитель­ностью и точностью измерения.