Файл: Пирометрические датчики.docx

1) большое расхождение между, радиационной температурой и истинной при измерении нечерных тел, являющееся следствием недостаточной надежности перехода от радиационной температуры к истинной;

2) значительная зависимость радиационной температуры от поглощения излучений в промежуточной среде, учет которого затруднителен.

Погрешности от неполноты излучения и от поглощения промежуточной средой существенно уменьшаются при монтаже телескопа радиационного пирометра на глухой визирной карборундовой трубе, располагаемой в зоне измеряемой температуры. В этом случае замкнутая полость раскаленной визирной трубы играет роль черного излучателя. Однако динамические качества такого датчика температуры весьма низки и определяются тепловой инерцией промежуточного излучателя.

Конструктивно радиационные пирометры состоят из следующих основных узлов:

1) оптической системы, фокусирующей излучения нагретого тела на термоэлектрический приемник пирометра; эти системы выполняются двух типов: отражательные (рефлекторные), представляющие собой вогнутые зеркала, и рефракторные, в которых используются линзы;

2) термоприемника, представляющего собой миниатюрную термобатарею;

3) измерительного прибора.

Поток энергии, поступающей на термоприемник, вызывает нагревание последнего, достаточное для получения такой величины термо-э. д. с, измерение которой не вызывает затруднений. В качестве термоприемников в радиационных пирометрах применяются термобатареи специальной конструкции. Термобатарея радиационного пирометра представляет собой группу последовательно соединенных термопар, рабочие концы которых скреплены с зачерненными пластинками из платиновой фольги, либо расклепаны в тонкие пластинки (рис. 1).

Рисунок 1 – Термобатарея радиационного пирометра

6. Фотоэлектрические пирометры частичного излучения

В приборах разл. типов чувствит. элементами служат фотоэлементы с внеш. фотоэффектом, в которых фототок пропорционален энергии излучения волн определенного участка спектра. В пирометрах этого типа изображение раскаленного тела (т-ру которого измеряют) с помощью объектива и диафрагмы 2 создается в плоскости одного из отверстий диафрагмы 3, расположенной, наряду с красным светофильтром, перед фотоэлементом. Последний через др. отверстие этой диафрагмы освещается регулируемым источником света-электрич. лампой. Благодаря колебаниям заслонки вибрац. модулятора фотоэлемент поочередно с частотой 50 Гц освещается раскаленным телом и лампой. При неравенстве освещенностей от них в цепи фотоэлемента возникает фототок, усиливаемый электронным усилителем. Его выходной сигнал изменяет ток накала лампы до выравнивания указанных освещенностей. Сила тока, однозначно связанная с яркостной температурой тела, на сопротивлении R_вых преобразуется в напряжение, измеряемое автоматич. потенциометром, шкалы которого градуированы в градусах Т_я. Фотоэлектрич. пирометры выпускают одношкальными для измерения температур от 600 до 2000⁰C или двушкальными (введен ослабляющий светофильтр) для определения более высоких температур; в первом случае погрешность не превышает 1%, во втором -2,5% от диапазона измерений.

Фотоэлектрические пирометры можно разделить на две принципиально различные группы. К первой группе, которая может быть названа пирометрами частичного излучения, относятся пирометры, в которых используется вся или большая часть области спектральной чувствительности применяемых фотоэлементов. В этих приборах световой поток, испускаемый нагретым телом, направляется с помощью объектива непосредственно на фотоэлемент. Ко второй группе относятся пирометры, в которых используется узкая область спектральной чувствительности фотоэлемента. При измерении температуры с помощью таких пирометров световой поток проходит через светофильтр, который выделяет из него сравнительно узкую спектральную область.

Зависимость между фототоком и потоком энергии, излучаемым черным телом, в фотоэлектрическом пирометре первого типа выражается следующей формулой:

где - постоянная;

- спектральная яркость черного тела при температуре и длине волны ;

- спектральная чувствительность фотоэлемента при длине волны падающего на него света;

и - границы спектрального интервала, внутри которого спектральная чувствительность фотоэлемента отлична от нуля.

Если с помощью такого пирометра измерять температуру нечерного тела, то для выражения зависимости между величиной фототока и истинной температурой необходимо под интеграл вышеприведенной формулы ввести спектральный коэффициент черноты излучения тела при температуре и длине волны . Показания прибора в этом случае позволяют установить только температуру черного тела, при которой фототек равен вызываемому нечерным телом. Перейти от показаний пирометра такого типа к истинной температуре тела не представляется возможным, так как для этого необходимо знать величину спектральной чувствительности фотоэлемента и спектральный коэффициент черноты излучения тела для всех длин волн от до (такие данные о величинах для большинства реальных тел отсутствуют, а известна лишь величинадля некоторых длин волн).

Однако фотоэлектрические пирометры частичного излучения, несмотря на то, что они не позволяют выполнять измерение истинных температур, могут с успехом применяться в системах автоматического контроля и в системах автоматического регулирования в качестве датчиков, сигнализирующих об отклонении температуры объекта от заданного уровня. Существенным положительным качеством данных пирометров является то, что на их чувствительные элементы поступает значительно больший суммарный световой поток, чем в яркостных пирометрах (в которых постановка светофильтров уменьшает суммарный световой поток, попадающий на фотоэлемент, на 80—90%). Следствием этого является определенное упрощение усилителей, применяемых в пирометрах частичного излучения, по сравнению с яркостными пирометрами.

7. Яркостные пирометры

Действие этих переносных приборов основано на сравнении яркости моно-хроматич. излучения двух тел-тела, температуру которого измеряют, и эталонного. В качестве последнего обычно используют нить лампы накаливания с регулируемой яркостью излучения. Наиб. распространенный прибор данной группы-пирометры с "исчезающей" нитью. Внутри телескопич. трубки в фокусе линзы объектива находится питаемая от аккумулятора через реостат пирометрич. лампа с подковообразной нитью. Для получения монохроматич. света окуляр снабжен красным светофильтром, пропускающим лучи только определенной длины волны (65-66 мкм). В объектив помещен серый поглощающий светофильтр, служащий для расширения пределов измерений.

В основу оптических методов измерения температуры тел, обладающих сплошным спектром излучения, положены зависимости между абсолютной температурой тел и их излучательной способностью. Интенсивность монохроматического излучения с длиной волны для абсолютно черного тела при температуре Т выражается законом Вина:

где (с - скорость света, h - постоянная Планка);

(N - постоянная Авогадро, R - универсальная газовая постоянная);

- основание натуральных логарифмов.

Постоянные и соответственно равны и .

Экспериментально установлено, что при сравнительно небольших величинах произведения имеет место достаточно точное совпадение расчетных и опытных данных. При больших возникают отклонения опытных данных от расчетных тем большие, чем больше . В случае использования для измерений области видимого спектра вышеприведенное уравнение достаточно верно до 2500°С, т. е. в том диапазоне температур, который применяется в промышленности. Для более высоких температур монохроматическое излучение черного тела надежно характеризуется формулой Планка.