Необходимо заметить, что для определения соотношений между цветовой и истинной, а также между яркостной и истинной температурами выражения для спектральной энергетической яркости определялось по

6.2

Необходимо заметить, что для определения соотношений между цветовой и истинной, а также между яркостной и истинной температурами выражения для спектральной энергетической яркости определялось по уравнению Вина. Это справедливо в пределах применимости этого уравнения. При выходе за пределы использования уравнения Вина необходимо значение спектральных яркостей получать по формуле Планка. Для измерения температуры тел по их излучению можно использовать не только излучение определенной длины, но и суммарное излучение на всех длинах волн. Интегральная излучательность Е* в соответствии с (6.64) может быть получена интегрированием уравнения Планка, т. е.

Зависимость, (6.78) выражает закон Стефана — Больцмана, который устанавливает тот факт, что полная мощность излучения абсолютно черного тела Е* пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Т.

Приборы, измеряющие температуру тела по их интегральной из-лучательности, называют радиационными пирометрами или пирометрами полного излучения. Если чувствительный элемент радиационного пирометра воспринимает интегральную излучательность не во всем диапазоне длин волн от 0 до ∞, а в некотором ограниченном интервале длин волн от λ₁ до λ₂, то такой пирометр называют пирометром частичного излучения.

С учетом выражений (6.68) и (6.78) для реального тела интегральная излучательность

Значения коэффициента полного излучения ε для различных реальных тел различны и зависят от температуры тела. В этой связи шкалы радиационных пирометров градуируются по черному излучателю, а при измерении температуры реальных тел ввиду того, что Е<Е*, радиационный пирометр дает заниженные показания, соответствующие некоторой условной температуре, называемой радиационной температурой тела.

Радиационной температурой Т_р реального тела, имеющего истинную температуру Т, называют такую температуру черного тела, при которой его интегральная излучательность Е* равна интегральной излучательности реального тела Е. В соответствии с этим определением, с учетом выражения (6.68), имеем

Принимая во внимание формулу (6.78), получим

Из соотношения (6.82) следует, что истинная температура реального тела может быть определена путем измерения его радиационной температуры Г_р при известном значении коэффициента ε. Если ε<1, то T_p<T и разность Т — T_p может достигать нескольких сотен градусов при малых значениях е.

Средства измерений температуры тел по их тепловому излучению. Для измерения яркостной температуры тел используются оптические (квазимонохроматические) визуальные пирометры, а также фотоэлектрические пирометры.

Оптические пирометры широко применяются в лабораторных и производственных условиях для измерения температур выше 800°С. Принцип действия оптических пирометров основан на сравнении спектральной яркости тела со спектральной яркостью градуированного источника излучения. В качестве чувствительного элемента, определяющего совпадение спектральных яркостей в визуальных оптических пирометрах, служит глаз человека. Наиболее распространенным является оптический пирометр с исчезающей нитью, схема которого приведена на рис. 6.26, а. Для измерения температуры объектив 1 прибора направляется на объект измерения ОИ так, чтобы наблюдатель на его фоне увидел в окуляре 7 нить оптической лампы 4.

-

Рис. 6.26. Схема визуального оптического пирометра

Сравнение спектральных яркостей объекта измерения и нити лампы 4 осуществляются обычно при длине волны равной 0,65 мкм, для чего перед окуляром установлен красный светофильтр 6. Выбор красного светофильтра обусловлен тем, что глаз человека воспринимает через этот фильтр только часть спектра его пропускания, приближающуюся к монохроматическому лучу. Кроме того, применение красного светофильтра позволяет снизить нижний предел измерения пирометра. Диафрагмы (входная 3 и выходная 5) ограничивают входной и выходной углы пирометра, оптимальные значения которых позволяют обеспечить независимость показаний прибора от изменения расстояния между объектом измерения и объективом.

Наблюдая за изображением нити лампы на фоне объекта измерения [светлый фон — темная нить (рис. 6.26,6); темный фон — светлая нить (рис. 6.26, г)], с помощью реостата Ro изменяют силу тока, идущего от батареи Б к нити лампы, до тех пор, пока яркость нити не станет равной видимой яркости объекта измерения. При достижении указанного равенства нить «исчезает» на фоне изображения объекта измерения (рис. 6.26, в). В этот момент по шкале миллиамперметра тА, предварительно отградированного в значениях яркостной температуры нити лампы Т_я^п, определяют яркостную температуру объекта Т_я°. По измеренной яркостной температуре при известном ε_λ в соответствии с выражением (6.74) рассчитывают истинную температуру объекта.

Нить оптической лампы выполнена из вольфрама, поэтому во избежание ее возгонки при температурах выше 1400°С, для измерения более высоких температур перед лампой включается ослабляющий или поглощающий светофильтр 2. Благодаря этому светофильтру уменьшается видимая яркость объекта измерения в кратное число раз, что позволяет не перекаливать нить и сохранить стабильность градуировки пирометра. Оптическую плотность поглощающего стекла выбирают с таким расчетом, чтобы при температурах объекта, превосходящих 1400°С, нить накала нагревалась не выше 1400°С. Поэтому обычно в оптических пирометрах имеется две шкалы, одной из которых пользуются при невведенном поглощающем светофильтре, например от 800 до 1200°С, а второй — при введенном светофильтре от 1200 до 2000°С.

Существующие в настоящее время оптические пирометры предназначены для измерения температур в интервале от 800 до 6000°С и имеют различные модификации с различными пределами измерения. Класс точности оптических пирометров 1,5—4,0.

Фотоэлектрические пирометры. В отличие от оптических визуальных пирометров фотоэлектрические пирометры являются автоматическими. Чувствительными элементами, воспринимающими лучистую энергию, в этих приборах могут служить фотоэлементы, фотоумножители, фотосопротивления и фотодиоды. Измерение температуры фотоэлектрическими пирометрами, как и оптическими визуальными, основано на зависимости спектральной яркости тела от его температуры.

Фотоэлектрические пирометры по принципу действия бывают двух типов. К первому типу относятся приборы, в которых воспринимаемая прибором лучистая энергия, попадая на чувствительный элемент, изменяет его параметры (фототок, сопротивление). В приборах второго типа измерение лучистой энергии осуществляется компенсационным методом, здесь чувствительный элемент работает в режиме нуль-индикатора, сравнивая интенсивности излучения от измеряемого тела и стабильного источника излучения — миниатюрной лампочки накаливания.

Фотоэлектрические пирометры второго типа более сложны но более точны, так как их показания не зависят от характеристик чувствительного элемента и электронной схемы. Рассмотрим фотоэлектрический пирометр, работающий по компенсационному методу, схема которого приведена на рис. 6.27. Тубус прибора визируется на объект ОИ так, чтобы световой поток попадая на объектив 2, проходил через диафрагму 3 и верхнее отверстие диафрагмы 5, пронизывал красный светофильтр 6, а затем воспринимался фотоэлементом 7. Через нижнее отверстие диафрагмы 5 к фотоэлементу попадает световой поток от регулируемого источника света 1, питаемого током от силового блока 9. Последний управляется электронным усилителем 8, входом которого является фототок от фотоэлемента 7. Световые потоки попадают на фотоэлемент 7 в противофазе. Это осуществляется тем, что перед отверстиями диафрагмы установлена вибрирующая заслонка 4, поочередно перекрывающая эти отверстия. Профили этой заслонки и отверстий диафрагмы 5 выполнены так, что каждый из световых потоков, попадая на фотоэлемент, создает противоположный по фазе синусоидальный ток.

Таким образом, при одинаковых интенсивностях световых потоков от объекта измерения и лампы 1, или, точнее, одинаковых спектральных яркостях, воздействующих в противофазе, на фотоэлементе генерируется постоянный ток.

Если интенсивности световых потоков, поступающих на фотоэлемент, окажутся не равными друг другу (например, при изменении температуры объекта), то в цепи фотоэлемента появляется переменная составляющая фототока, которая усиливается электронным усилителем 8 и поступает на фазочувствительный каскад силового блока 9. В результате изменяется ток накала лампы 1 до тех пор, пока на фотоэлементе не уравняются световые потоки от объекта измерения и лампы. Строго говоря, световой поток от лампы никогда точно не равен потоку от объекта измерения из-за того, что уравновешивание световых потоков выполнено по пропорциональной автокомпенсационной схеме. Однако благодаря большому коэффициенту усиления системы статическая ошибка уравновешивания мала.

Рис 627 Схема фотоэлектрического пирометра

Таким образом, ток лампы, однозначно связанный с ее спектральной яркостью, может служить мерой яркостной температуры объекта. Следовательно, измеряя автоматическим потенциометром падение напряжения, вызванное током лампы на резисторе 10 с сопротивлением R, шкалу потенциометра градуируют в значениях яркостной температуры.

В фотоэлектрических пирометрах с нижним пределом измерения 800°С и выше применяют вакуумные сурьмяно-цезиевые фотоэлементы, имеющие спектральную характеристику, схожую со спектральной характеристикой глаза человека. Поэтому в фотоэлектрических пирометрах указанный фотоэлемент в сочетании с красным светофильтром позволяет (для диапазона измерений 800—4000°С) получать показания прибора, совпадающие с показаниями оптических визуальных пирометров. Фотоэлектрические пирометры имеют основную погрешность ±1% при верхнем пределе измерений до 2000°С и ±1,5% при верхнем пределе более 2000°С.

Использование в фотоэлектрических пирометрах других чувствительных к световому потоку элементов позволяет снизить нижний предел измерения, в частности при использовании в качестве приемника излучения сернисто-свинцового фотосопротивления нижний предел измерения пирометра равен 200°С.

Пирометры спектрального отношения, или цветовые пирометры, как указывалось, предназначены для определения цветовой температуры путем измерения отношения спектральных энергетических яркостей, соответствующих двум длинам волн.

Подставляя в уравнение (6.75) вместо В_λ1, и В _λ2 их выражения через формулу (6.71) и произведя некоторые преобразования, получим

Отсюда следует, что обратное значение цветовой температуры измеряемого объекта прямо пропорционально логарифму отношения В_λ1/ В _{λ2 a}.

Существует несколько модификаций двух- и одноканальных цветовых пирометров. В двухканальных пирометрах измерительные сигналы, соответствующие каждой длине волны излучения, передаются одновременно по двум независимым каналам, и из соотношения величин данных сигналов определяется мгновенная цветовая температура объекта.

В пирометрах с одноканальной схемой измерения два различных монохрометрических потока с помощью оптического коммутатора поочередно подаются на один фотоэлектрический приемник.

Двухканальные пирометры используются в основном в лабораторной практике, когда требуется измерять температуру с большой скоростью.

Одноканальные пирометры нашли широкое применение благодаря большой стабильности их работы, так как в этих пирометрах одновременно с изменением характеристик схемы (изменение чувствительности фотоприемника, напряжения питания и др.) происходит изменение значений обоих сигналов, соответствующих различным длинам волн, и поэтому показание пирометра не изменяется.

Рассмотрим одну из распространенных схем (рис. 6.28) одноканального цветового пирометра с использованием электронной счетной схемы. Конструктивно прибор выполнен в виде блоков: телескопа Т и преобразователя сигналов БП.

Рис. 6.28. Схема цветового фотоэлектрического пирометра

Излучение от объекта I через оптическую систему 2 и обтюратор 3 попадает на фотоэлемент 4. Обтюратор представляет собой диск с двумя отверстиями, в одно из которых вставлен красный светофильтр, а в другое—синий. При вращении обтюратора синхронным двигателем 13 на фотоэлемент попеременно попадает излучение красной и синей спектральных яркостей, в результате чего в цепи фотоэлемента формируются импульсы фототока, пропорциональные соответствующим спектральным яркостям. Импульсы фототока, усиленные в предварительном усилителе 5, в виде импульсов напряжения, имеющих трапецеидальную форму, преобразуются в короткие острые импульсы U₁ и U₂ с помощью дифференцирующей цепочки 6 и пик-детектора 7. Эти импульсы подаются на логарифмирующее звено 8, содержащее цепочку RC. Конденсатор, заряженный импульсами напряжений U₁ и U₂, разряжается затем на сопротивление, и изменение напряжения U на нем идет по экспоненциальному закону с постоянной времени T=RC, т. е.

Далее установлен амплитудный ограничитель напряжения 9, пропускающий сигналы постоянного уровня U₀ с момента возникновения импульса до тех пор, пока напряжение U не снизится до уровня ограничения U_o. Таким образом, на выходе ограничителя 9 формируются прямоугольные импульсы, длительности которых τ₁ и τ₂ оказываются пропорциональными логарифмам U ₁ и U₂, т. е.

где U ₁ и U₂ — напряжения, пропорциональные соответственно красной и синей спектральным яркостям.

С выхода ограничителя прямоугольные импульсы, соответствующие красному и синему световым потокам, с помощью синхронного переключателя 12, установленного на валу диска обтюратора, подаются в противофазе на фильтр 10. Постоянная составляющая тока I _ср на выходе фильтра, определяемая разностью длительности прямоугольных импульсов, измеряется автоматическим потенциометром 11:

где I ₀ — амплитуда тока на выходе ограничителя; 9 — период вращения обтюратора.

Подставляй в (6.87) значения τ₁ и τ₂ из (6.86), получим

где А — постоянный коэффициент.

Таким образом, показания цветового пирометра однозначно связаны с логарифмом отношения спектральных яркостей и, следовательно, с цветовой температурой объекта.

Диапазон измерений описываемого пирометра 1400—2800°С. Он подразделяется на пять-шесть поддиапазонов по 250—300°С. Меняя диск со светофильтрами, переходят от одного диапазона измерений к другому. Класс точности пирометра 1.

Радиационные пирометры, или пирометры полного излучения, — это приборы, воспринимающие излучение от объекта во всем спектральном диапазоне. Строго говоря, приемники излучения имеют ограниченный рабочий диапазон длин волн и поэтому в пирометре используется не полный спектр излучения, а лишь определенная полоса спектра. И все же принято считать, что пирометр является радиационным, если в нем используется не менее 90% излучения от объекта измерения. Радиационные пирометры имеют самый широкий диапазон измерения, он лежит в интервале 50—2000°С и выше. Для радиационных пирометров могут быть использованы только тепловые приемники излучения — термоэлектрические преобразователи или термопреобразователи сопротивления.

Измерение температуры радиационными пирометрами основано на улавливании теплового излучения и концентрировании его на термочувствительном элементе с помощью собирательной линзы (рефракторные приборы) или вогнутых зеркал (рефлекторные приборы). На рис. 6.29 приведена схема радиационного пирометра рефракторного типа.

Излучение от объекта 1 концентрируется линзой 2 объектива через диафрагму 3 на рабочих концах термобатареи 4, собранной из ряда последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей Фокусировка телескопа пирометра на объект измерения производится окуляром 7. При высокой температуре объекта для защиты глаза перед окуляром в поле зрения вводят красное стекло 6.

Рис. 6.29. Схема радиационного пирометра рефракторного типа

Рис. 6.30. Схема звездообразной термобатареи

В качестве вторичного прибора используют милливольтметр или потенциометр, шкалы которых градуируются в значениях радиационной температуры.

Существуют различные конструкции термобатарей. На рис. 6.30 приведена звездообразная термобатарея, выполненная из десяти последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей, в качестве которых обычно используются хромель-копелевые термоэлектроды диаметром 60—70 мкм. Плоские рабочие концы 3 преобразователей, зачерненные платиновой чернью, образуют венчик. Свободные концы термоэлектрических преобразователей закреплены с помощью металлических пластин 2 на слюдяном кольце 1. Температура свободных концов преобразователя при градуировке равна (20±2)°С.

Для компенсации влияния изменения температуры свободных концов термобатареи параллельно последней подсоединяют катушку 5 (см. рис. 6.29) из медной или никелевой проволоки. Этот метод компенсации заключается в том, что, например, при увеличении температуры свободных концов термоЭДС термобатареи уменьшается, а сопротивление меди увеличивается и ток, ответвляющийся в измерительный прибор 8, сохраняется практически постоянным.

Классы точности радиационных пирометров 1,0 и 1,5. Постоянная времени этих приборов составляет 0,3—1,5 с. При установке телескопа между ним и объектом не должно быть паров влаги, дыма, пыли и т. д., так как последние поглощают лучистую энергию, что может привести к дополнительной погрешности измерения. Кроме того, следует оберегать корпус прибора от нагрева выше 100—200°С. Если это невозможно, то телескоп устанавливают в кожух с водяным охлаждением.

Дата добавления: 2015-08-29