Файл: Пирометрические датчики.pdf

ко 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 E0 с дли-

ной волны для абсолютно черного тела при температуре Т выражается законом Вина:

E0 c1 5e c2/ T ,

где c1 2 hc2 (с - скорость света, h - постоянная Планка);

c2 NhC (N - постоянная Авогадро, R - универсальная газовая постоянная);

R

e - основание натуральных логарифмов.

Постоянные c1 и c2 соответственно равны 3,17 10 16 ккал/ м2 и 1,44 10 2 м град.

Экспериментально установлено, что при сравнительно небольших величинах произведения T имеет место достаточно точное совпадение расчетных и опытных данных. При больших T возникают отклонения опытных данных от расчетных тем большие, чем больше T . 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.

Интенсивность излучения реальных тел всегда меньше интенсивности излучения черного тела. Поэтому формулу Вина можно переписать в следующем виде:

E c1 5e c2 / T ,

ты тела. Значение в зависимости от свойств излучающего тела и длины волны излуче-

ния изменяется в пределах от 0 до 1. Тела, у которых относительная лучеиспускательная способность для всех длин волн одинакова, называются серыми телами. Отклонение закона излучения исследуемых тел от излучения черного тела, определяемое величиной коэффициента , обусловливает отклонение измеренной данным способом температуры от ее

истинного значения. Коэффициент зависит от значительного числа параметров, и точ-

ное определение его величины в большинстве случаев представляет определенные трудности.

Так как интенсивность монохроматического излучения зависит от индивидуальных особенностей физического тела, оптический пирометр, предназначенный для измерения температуры одного физического тела, невозможно применить без соответствующей градуировки для измерения температуры другого тела. Вследствие этого возникает необходимость градуировки приборов по излучению абсолютно черного тела, а вместе с тем и введения понятия черной (условной) температуры монохроматического излучения, так называемой яркостной температуры.

Яркостная температура исследуемого объекта соответствует температуре абсолютно черного тела, при которой монохроматическая яркость последнего равна монохроматической яркости объекта. Зависимость между яркостной Тя и истинной Ти температурами определяется следующим выражением

11 ln

ТИ ТЯ c2

Истинная температура тела всегда больше его яркостной температуры. Переход от яркостной температуры к истинной возможен только в том случае, когда известен коэф-

11

фициент испускательной способности среды . Для твердых тел коэффициент испуска-

тельной способности является величиной сравнительно стабильной. Вследствие этого при многократном измерении температуры одних и тех же твердых тел в неизменных условиях их истинная температура может быть определена с достаточной точностью путем внесения постоянной поправки к яркостной температуре.

Значительно более трудной задачей является измерение температуры пламени с помощью яркостного фотоэлектрического пирометра; в этом случае точность измерения температуры будет существенно зависеть от точности измерения коэффициента испускательной способности пламени. Испускательные способности пламен большей частью малы и сильно варьируются в зависимости от условий горения. Практически для определения истинной температуры пламени с удовлетворительной точностью необходимо каждый раз одновременно с измерением яркостной температуры измерять испускательную способность пламени в той же области спектра.

Показания яркостного пирометра также зависят от размеров объекта, от расстояния между объектом и прибором и коэффициента поглощения промежуточной среды, однако влияние этих факторов может быть существенно уменьшено аппаратурным путем.

В яркостных пирометрах применяются фотоэлектрические элементы, обладающие максимальной чувствительностью как в видимой области, так и в инфракрасной области спектра. В последнее время в качестве чувствительных элементов находят также применение оптико-акустические камеры, которые обладают высокой избирательной чувствительностью в области инфракрасного спектра.

Недостатком оптической пирометрии, использующей излучения, лежащие в видимой области спектра, является невозможность измерения температур ниже 700 - 800°С для твердых тел и сажистых пламен и ниже 1200 - 1300°С для бесцветных пламен, окрашенных солями металлов. Этот недостаток существенно уменьшается при использовании инфракрасного излучения, позволяющего значительно снизить нижнюю границу измеряемых температур. Однако необходимо отметить, что отличие яркостной температуры от истинной будет больше при измерениях в инфракрасной области, чем при измерениях в видимой области при одинаковых значениях испускательной способности. Это происходит вследствие того, что отличие яркостных температур от истинных определяется не только величиной испускательной способности, но и эффективной длиной волны, причем разность между истинной и яркостной температурой пропорциональна величине .

Различные структурные схемы, применяемые в яркостных пирометрах, представлены на рис. 19. Яркостные пирометры, в которых не используется компенсационный метод измерения, могут быть выполнены: а) без использования несущей частоты в измерительном сигнале (рис. 2,а); б) с использованием несущей частоты, создаваемой с (помощью оптического обтюратора (рис. 2,6) или с помощью питания фотоэлектрического элемента переменным напряжением (рис. 2,в).

В устройствах, работающих без использования несущей частоты, применяются усилители постоянного тока, обладающие определенными эксплуатационными недостатками. Вследствие этого такие пирометры могут обладать некоторой нестабильностью показаний во времени.

12

Рисунок 2 - Структурные схемы яркостных пирометров О - объект измерения; Л - линза; Т - фильтр; Ф - фотоэлемент; У - усилитель;

РП - регистрирующий прибор; Об - обтюратор; УП - усилитель-преобразователь; Г - генератор; 3 - зеркало; М - модулятор; И - источник сравнения; ЧТ - черное тело; ПС - пересчетная схема.

Вустройствах, работающих без использования несущей частоты, применяются усилители постоянного тока, обладающие определенными эксплуатационными недостатками. Вследствие этого такие пирометры могут обладать некоторой нестабильностью показаний во времени.

Как уже было отмечено, несущая частота может создаваться либо за счет оптической обтюрации светового потока с помощью вращающегося или колеблющегося обтюратора, либо с помощью питания чувствительного элемента схемы переменным напряжением. В таких приборах используются резонансные усилители, имеющие хорошую стабильность показаний во времени.

Вслучае оптической обтюрации светового потока затруднительно создание высокой несущей частоты, так как это связано с необходимостью значительного повышения числа оборотов диска, что очень нежелательно. Поэтому в тех случаях, когда необходимо иметь прибор с хорошей стабильностью показаний во времени и с достаточно высоким верхним пределом частотного диапазона, для создания несущей частоты приходится при-

13

менять питание чувствительного элемента переменным напряжением. Частота напряжения питания чувствительного элемента (фотосопротивления) в таких устройствах может достигать 4000 гц.

В некоторых яркостных пирометрах используются компенсационные измерительные схемы, в которых имеется обратная связь по световому потоку. Работа такого пирометра сводится к следующему (рис. 2,г). С помощью дискового обтюратора на фотоэлемент попеременно подаются излучения объекта и компенсационной лампы накаливания. Получающиеся на фотоэлементе измерительные сигналы, амплитуда которых пропорциональна разности интенсивностей излучения объекта и лампы, подаются на специальный электронный блок. Выходной сигнал этого блока так управляет током компенсационной лампы, что интенсивность ее излучения в выделенном спектральном диапазоне равна интенсивности излучения объекта. Измерительным сигналом такого пирометра является сила тока, подаваемого на компенсационную лампу.

Рассмотренная схема является следящей системой, с помощью которой температура лампы, осуществляющей обратную связь, поддерживается равной температуре объекта.

Применение в яркостных пирометрах компенсационного принципа измерения позволяет исключить влияние параметров схемы на показания приборов. Однако следствием этого также является некоторое усложнение прибора и понижение его динамических качеств.

Разработан сравнительно несложный метод, позволяющий с помощью яркостного пирометра измерять истинные температуры пламен. Схема прибора в этом случае сводится к следующему (рис. 3, д). За пламенем располагаются зеркало и черный экран, установленные таким образом, чтобы излучения пламени, отраженные от зеркала и прошедшие через зону пламени, попадали в один фотоумножитель прибора, а излучения пламени на фоне черного экрана - в другой фотоумножитель. Измерительные сигналы с обоих фотоумножителей после усиления подаются на электронную пересчетную схему, выходной сигнал которой пропорционален истинной температуре пламени.

Истинная температура пламени Т определяется по двум измеренным яркостным температурам Т1 и Т2 по следующей формуле:

где R - коэффициент отражения зеркала;

К - коэффициент поглощения кварцевой пластины, расположенной перед тубусом объектива.

Данный метод определения истинной температуры пламени с помощью яркостного пирометра имеет сравнительно простое аппаратурное исполнение и может быть применен для измерения быстропеременных температур. Точность рассмотренного метода составляет 2 - 5%, причем погрешности будут тем меньше, чем больше абсолютная величина испускательной способности пламени.

Применяемый для измерения температур пламен метод выравнивания яркостей и его модификация - метод поглощения и лучеиспускания - также позволяют измерять с помощью яркостного пирометра непосредственно истинную температуру пламени. Сущность метода выравнивания яркостей заключается в том, что подбирается такая яркостная температура эталонного источника, при которой яркость его излучения будет равна суммарной яркости излучений пламени и излучения эталонного источника, прошедших через пламя и частично поглощенных в нем. При этом яркостная температура эталонного источника будет равна истинной температуре пламени. В методе поглощения и лучеиспускания яркости не выравниваются и истинная температура определяется из измерения трех величин: яркости эталонного источника, яркости пламени и яркости излучений источника, прошедших через пламя. Данный метод, являющийся яркостным методом, применяется как при сравнительно широкой полосе спектральных излучений, выделяемой обычными

14

светофильтрами, так и в монохроматической области D - линии натрия. В последнем случае в качестве монохроматоров применяются призменные спектроскопы. Однако аппаратурное исполнение оптических обтюрационных устройств и принцип действия измерительных схем в обоих случаях одинаковы.

8. Цветовые пирометры

В промышленных приборах находится отношение так называемое спектральной энергетической яркости (излучение определенной длины волны, или яркости) реального тела с двумя заранее выбранными значениями длины волны. Для каждой температуры T это отношение неодинаково, но вполне однозначно. Действие большей части конструкций основано на определении цвета нагретого тела по отношению яркостей для не очень близких одна к другой двух длин волн в видимой части спектра.

Измеряемое излучение через защитное стекло и объектив попадает на фотоэлемент. Между ним и объективом установлен вращаемый синхронным двигателем обтюратор. Последний выполнен в виде диска с двумя отверстиями, закрытыми красным и синим светофильтрами. Tаким образом, при вращении обтюратора на фотоэлемент попеременно попадают излучения разной интенсивности. Предварительно усиленный переменный ток, напряжение которого пропорционально соответствующим интенсивностям излучения, преобразуется электронным логарифмическим устройством в постоянный ток силой, зависящей от 1/Т. Сила выходного тока устройства определяется показывающим или регистрирующим милливольтметром. Пределы измерений 1400-25000C; погрешность не превышает ±1% от верхнего предела.

Как известно, при повышении температуры абсолютно черного тела его лучистая энергия перераспределяется по длинам волн спектра (рис. 3), причем максимум излучения смещается в направлении малых длин волн (следствием этого является изменение цвета тела при изменении его температуры).

15

Рисунок 3 - График, иллюстрирующий смещение максимумов спектрального излучения в сторону коротких волн при увеличении температуры тела.

Зависимость спектрального распределения энергии излучения черного тела от его температуры Т может быть выражена с помощью следующего уравнения:

максT 0,2884см град,

где макс - длина волны, соответствующая максимальной интенсивности излучения

при данной температуре Т.

Ввиду этого соотношение интенсивностей излучения при двух длинах волн будет определенным образом изменяться в зависимости от величины температуры.

Таким образом, по соотношению монохроматических яркостей при двух длинах волн 1 и 2 может быть определена истинная температура черного тела. Для нечерных

тел по соотношению двух монохроматических яркостей может быть определена не истинная температура тела, а так называемая «цветовая» температура, отличие которой от истинной зависит от значений коэффициентов черноты тела 1 и 2 . Термин «цветовая»

температура имеет следующее определение: цветовой температурой тела называется такая температура черного тела, при которой отношение спектральных яркостей его излучения при двух длинах волн 1 и 2 равно отношению соответствующих спектральных яркостей

нечерного тела.

В цветовых пирометрах с помощью фотоэлектрических чувствительных элементов, включенных в соответствующие схемы, измеряется отношение потоков монохроматического излучения в двух участках спектра. Показания цветовых пирометров в отличие от яркостных не зависят от расстояния, размеров излучающей поверхности и оптики пирометра. Цветовые пирометры также обладают значительно меньшими методическими погрешностями, чем яркостные, вследствие того, что у большинства реальных тел коэффициент испускательной способности не изменяется с длиной волны. Такие тела называ-

ются серыми, и их цветовая температура совпадает с истинной температурой.

Связь между цветовой температурой Гц и истинной Тв определяется следующим

16