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:
- высокой температуре объекта измерения,
- размещении объекта в агрессивной среде,
- измерении температуры подвижных объектов.
Примеры применения:
1.Определение дефектов оборудования, профилактика и обслуживание электрических и механических устройств (переключатели, предохранители, подшипники электроприводов),
- Утечка энергоносителей (пар, г.в.) при разгерметизации трубопроводов и клапанов;
- Диагностика состояния зданий (сохранение тепла, проникновение влаги, качество системы кондиционирования и вентиляции).
- 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 εт 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.