Каков принцип работы пирометра с исчезающей нитью

Каков принцип работы пирометра с исчезающей нитью

Пирометры (от греч. руr-огонь и metreo — измеряю).
При высокой температуре любое нагретое тело значительную долю тепловой энергии излучает в виде потока световых и тепловых лучей.

Чем выше температура нагретого тела, тем больше интенсивность излучения.
Тело, нагретое приблизительно до 600 °С, излучает невидимые инфракрасные тепловые лучи.
Дальнейшее увеличение температуры приводит к появлению в спектре излучения видимых световых лучей.

По мере повышения температуры цвет меняется: красный цвет переходит в желтый и белый, представляющий собой смесь излучений разной длины волны.

Способность к излучению различна у разных поверхностей.

Наибольшей лучеиспускательной и лучепоглощающей способностью обладает так называемое абсолютно черное тело.

Реально существующие в природе тела не обладают свойствами абсолютно черного тела, но могут иметь близкие к нему свойства.
Например, лучеиспускательная способность графита в порошке составляет 95% по отношению к излучательной способности абсолютно черного тела.
Энергия излучения неравномерно распределяется между колебаниями с равной длиной волны.

Чем выше температура, тем большая доля энергии приходится на излучение с меньшей длиной волны.

Например, в солнечном свете значительную долю составляет ультрафиолетовое излучение с малой длиной волны.
Яркость излучения однозначно зависит от температуры, следовательно, измеряя яркость, можно определить температуру.

Существующие приборы для измерения температуры по интенсивности излучения градуируют по излучению искусственного абсолютно черного тела.

Поэтому при практических измерениях они заведомо имеют некоторую погрешность.

Особенностью пирометров излучения является то, что измерение температуры производится без непосредственного контакта прибора с объектом измерения, что позволяет контролировать температуру сильно нагретых тел, а также движущихся объектов.

По принципу действия пирометры излучения разделяют на оптические и радиационные.
Оптический пирометр с изчезающей нитью.

Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания.
Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с объективом и окуляром.

Перед окуляром помещен красный светофильтр.

Спектральная характеристика пропускания светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности глаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около 0,65 мкм.

В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки. Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом.

В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки.

Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы, нить будет видна более темной или более светлой, чем фон.

Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить «исчезнет»). В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения.

Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент «исчезновения» нити улавливается с достаточной уверенностью.

Показывающий прибор, включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому пирометру или по температурным лампам, в Т °С яркостной температуры.
Во избежание перегрева нити, ее температура не должна превышать 1500 °С, поэтому при измерениях в диапазоне более высоких температур перед лампой устанавливается поглощающий светофильтр, уменьшающий видимую яркость излучения объекта.

Отечественные пирометры выпускаются с диапазонами измерения 1200-3200 °С и 1500-6000 °С.

Диапазон измерения прибора может быть разбит на два поддиапазона, в этом случае пирометр имеет две шкалы.

Переход с одного диапазона на другой осуществляется введением или выведением поглощающего светофильтра.

Для питания оптического пирометра применяется сдвоенный щелочной аккумулятор. Сила тока в лампе регулируется реостатом.

Электроизмерительный показывающий прибор представляет собой дифференциальный амперметр с двумя рамками, который реагирует на изменение тока в цепи питания и напряжения на параметрической лампе.

При этом автоматически учитывается изменение сопротивления нити лампы от температуры ее накала.
Время установления показания после включения прибора не превышает 8с.

Основная допустимая погрешность измерения яркостной температуры зависит от диапазона температур и составляет от 1 до 25% от верхнего предела используемой, шкалы прибора.

Существуют также оптические пирометры, в которых сличение яркостей нити и объекта производится не визуально, а фотоэлектрическим устройством, что позволяет автоматизировать измерение и повысить точность определения яркостной температуры.

Однако схема и конструкция прибора при этом существенно усложняются.
Цветовые пирометры.

Действие этих пирометров основано на том, что с изменением температуры меняется цвет накаленного тела.

При этом, если выделить в спектре излучения накаленного тела два монохроматических излучения с длинами волн и (соответствующих, например, красному и синему свету), то с изменением цвета будет меняться соотношение яркостей этих излучений.

Принципиальная схема цветового пирометра.
Излучение объекта измерения через защитное стекло и объектив падает на фотоэлемент.

Между объективом и фотоэлементом установлен вращающийся диск (обтюратор), в который вставлены два светофильтра – красный и синий.

Благодаря этому фотоэлемент попеременно освещается красным и синим светом и выдает поочередно импульсы тока, пропорциональные монохроматическим яркостям красного и синего излучений накаленного тела.

Эти импульсы усиливаются усилителем и преобразуются специальным электронным логарифмирующим устройством в постоянный ток, сила которого пропорциональна величине lnR, т.е. линейно зависит от обратной величины абсолютной температуры тела.

Выходной ток логарифмирующего устройства измеряется и регистрируется показывающим и регистрирующим магнитоэлектрическим гальванометром, шкала и диаграмма которого градуированы в град.

Прибор градуируется по абсолютно черному телу, поэтому его показания соответствуют истинной температуре абсолютно черного тела, а также «серых» тел.
Диапазон измерения пирометров от 1400 до 2500 °С.

Этот диапазон разбит на несколько поддиапазонов.

Переход от одного поддиапазона к другому производится с помощью специальных добавочных светофильтров.

В отличие от пирометров с исчезающей нитью на показания цветового пирометра практически не влияют изменения коэффициента излучающей способности тела, обусловленные изменением его температуры, состояния поверхности, состава и другими причинами, а также не влияет ослабление излучения не вполне прозрачной атмосферой между объектом и датчиком.

Благодаря этому цветовой пирометр обеспечивает высокую точность измерения: основная погрешность при измерении температуры «серых» тел не превышает ±1% верхнего предела измерения для данного поддиапазона.

Радиационные пирометры.

В отличие от оптических пирометров с исчезающей нитью и цветовых пирометров, в радиационных пирометрах используется тепловое действие полного излучения нагретого тела, включая как видимое, так и не видимое излучение.

В связи с этим радиационные пирометры называются также пирометрами полного излучения.

В качестве чувствительного элемента в радиационных пирометрах используется термобатарея из нескольких миниатюрных последовательно соединенных термопар, рабочие спаи которых нагреваются излучением объекта измерения, фокусируемых с помощью оптической системы. Возникающая Т.Э.Д.С. измеряется с помощью милливольтметра или автоматического потенциометра, градуированного в градусах.
Радиационные пирометры градуируются по абсолютно черному телу и показывают так называемую «радиационную» температуру.

Положительной особенностью радиационных пирометров является то, что их можно применять также и для измерения невысоких температур, при которых объект измерения не дает видимого излучения.

Возможно также измерение температуры тел, более холодных, чем окружающая среда.

В последнем случае термобатарея не нагревается, а охлаждается во время радиационного теплообмена между ней и объектом измерения.

В условиях, когда разница температур объекта измерения и окружающей среды невелика, необходимо тщательное термостатирование свободных концов термопар или всего корпуса телескопа пирометра.

В настоящее время радиационные пирометры применяются для измерения температур в диапазоне от -40 до 2500 °С.

Особенно удобно применение радиационных пирометров для бесконтактного измерения невысоких температур, при которых методы оптической и цветовой пирометрии неприемлемы, например, для измерения невысоких температур движущихся предметов.

Радиационные пирометры, как и цветовые, пригодны для непрерывного измерения и регистрации температуры, а также для применения в системах автоматического регулирования.

При измерении температуры тел, близких по излучающей способности к абсолютно черному телу, основная погрешность измерения не превышает 1% верхнего предела измерения.

Для обеспечения точности измерения радиационным пирометром необходимо, чтобы изображение объекта, создаваемое объективом на рабочих спаях термопар, полностью покрывало рабочие спаи.

Для большинства применяемых типов радиационных пирометров диаметр излучающей поверхности объекта должен быть не менее расстояния от объектива до излучающей поверхности.

При слишком малой излучающей поверхности показания прибора будут заниженными.

Источником погрешностей измерения может быть также недостаточная прозрачность среды между телескопом и объектом измерения и загрязнение оптики телескопа.

Для защиты пирометров от случайных повреждений различными выбросами газов и раскаленных частиц, например, при измерении температуры в топках котлов применяют так называемые калильные трубки.

Видеоролик.Пирометр Fluke 62.

Технические характеристики пирометра АКИП-9302.



Бесконтактный инфракрасный (ИК) радиационный пирометр АКИП-9302 для промышленного и бытового применения.

За счет автоматического отключения питания через 6 с после замера (нажатия курка) обеспечивается продление ресурса батареи питания прибора.

Благодаря пистолетному типу корпуса, пирометр удобно располагается в руке и легко управляется оператором в процессе измерений.

Для наведения на объект применён одноточечный лазерный целеуказатель.

Пирометр позволяет на ранней стадии диагностировать процессы перегрева частей и деталей оборудования, осуществлять непрерывный мониторинг разогрева наиболее нагруженных элементов ЭУ или ответственных технологических процессов.

В дополнение к режимам и возможностям обычного пирометра АКИП-9302 обладает двумя инновационными свойствами:

• Функция eSmart – востребована пользователями со специфическими условиями измерений. Например, когда необходимо определить температуру поверхности объекта или среды с неизвестными физическими свойствами и характеристиками ИК эмиссии. Для этого к поверхности прикладывается зонд термопары К-типа и нажимается курок для замера Ик излучения. С помощью встроенной программы происходит уточнение значения реальной эмиссии, которое затем сохраняется в памяти прибора для последующих замеров.
• Функция цветовой сигнализации CIS — (изменение цвета подсветки ЖК-индикатора в режиме допускового контроля) помимо звукового сигнала при выходе за пределы установленные пользователем (Hi / Low: верхний и нижний). Т.е. при активации данной функции выход за установленные пределы сигнализируется красным свечением дисплея (подсветкой).

Особенности пирометра АКИП-9302:

Бесконтактное измерение температуры: -28 °С …+535 °С; Базовая погрешность: ± 2 % (отображение результата в °С/ °F); Изменяемый коэффициент: излучения 0,10 … 1,00; Оптическое разрешение 12:1; Встроенный канал измерения температуры с помощью термопары; Режим регистрации: МАКС/МИН/УСРЕД значений; Режим допускового сканирования температуры Hi/Low с акустической и визуальной сигнализацией; Функция блокировки измерительного триггера; 10 ячеек памяти; Лазерный целеуказатель (одноточечный, отключаемый); ЖК-дисплей (3 ½) с подсветкой, время отклика 500 мс; Функция удержания показаний, индикация разряда батареи; Автоматическое выключение питания; Компактный, удобный в эксплуатации.

Технические характеристики пирометра АКИП-9302:

ТЕМПЕРАТУРА (БЕСКОНТАКТНО)
Диапазон температур: -28 о С . +535 о С;
Разрешение: 0,1 о С;
Погрешность измерения:
± 2 оС (-20 . +100 о С),
± 2 % (100 . +535 о С);
Диапазон ИК волн: 5 . 14 мкм.

ТЕМПЕРАТУРА (КОНТАКТНО)
Диапазон температур: -200 о С . +1380 о С;
Разрешение: 0,1 о С;
Погрешность измерения: ± 1,5 % +1 о С;
Тип термопары К-типа.

ДИСПЛЕЙ
Тип индикатора жидкокристаллический;
Подсветка дисплея светодиодная;
Формат индикации 4 разряда.

ОБЩИЕ ДАННЫЕ
Оптическое разрешение (D:S) 12:1;
Коэффициент излучения: 0,10 . 1,0 (шаг 0,01);
Время установления: 500 мс;
Воспроизводимость: ±1% от показания (или ±1 о С);
Источник питания: 9 В типа «Крона», срок службы 15 ч;
Время автовыключения: 6 с;
Условия эксплуатации: 0 о С . 50 о С, относительная влажность не более 95 %;
Габаритные размеры: 150 х 133 х 45 мм;
Масса: 135 г.
Гарантия 1 год.

echome.ru



Одной из разновидностей пирометров – термометров, предназначенных для бесконтактных замеров температуры поверхности исследуемого тела без применения дополнительного оборудования, — является оптический пирометр (или пирометр визуальный с исчезающей нитью).

Инструменты этого класса измерительных приборов работают на визуальном сравнении интенсивности монохроматического излучения, которым обладает практически любой объект и интенсивности принятой за эталон пирометрической лампы накаливания. Оптические пирометры повсеместно используются для температурных замеров в видимой области спектра и находят свое применение:

• в тяжелой и металлургической промышленности;
• в диагностических службах электрооборудования и сервисных автомобильных центрах;
• при транспортировке и хранении пищевых продуктов и медикаментов;
• в научных и лабораторных исследованиях для практической термометрии;
• в общестроительных и специализированных инженерных процессах.



Одно из основных достоинств использования оптических пирометров: отсутствие воздействия измеряющего инструмента на температурное поле предмета излучения, поскольку в ходе производимого диагностирования не предусмотрен их прямой контакт друг с другом.

Типы и классификация

Можно вывести следующее подразделение оптических пирометров по нескольким признакам:

1. Диапазон измеряемых температур:
• низкотемпературные (начиная с отрицательных температур тела излучения);
• высокотемпературные (от +400°С и выше).
1. По способу исполнения:
• мобильные (переносные) — хорошие подвижные качества такого инструмента дают возможность температурной оценки труднодоступных объектов;
• стационарные – монументальное исполнение прибора позволяет использовать его для непрерывного контроля технологических процессов в отраслях крупной промышленности.
1. По способу отображения полученной информации:
• текстово-цифровые с выводом измеряемых величин в градусах;
• графические — со спектральным разложением выделенных различным цветом областей низких, средних и высоких температур.



Конструктивные особенности и основы использования

Ключевыми элементами любого бесконтактного термометра являются:

• телескоп-преобразователь, в фокусной плоскости которого создается изображение обследуемого предмета; на этом же фокальном уровне находится ламповая нить из вольфрама. Две диафрагмы обеспечивают постоянство и предельность входных и выходных угловых показателей телескопической системы, а стеклянный красный световой фильтр монохроматизирует визуальный лучевой пучок, наблюдаемый оператором.
• измерительное устройство: в стационарных инструментах общепромышленного назначения в этом качестве служит показывающий милливольтметр или миллиамперметр с проградуированной отсчетной шкалой. В образцовых пирометрических моделях повышенной точности измеряющим приспособлением выступает потенциометр, гарантирующий минимальную погрешность замеров.
• источник питания (аккумуляторный элемент или батарейка).

Надёжность работы бесконтактных термометров оптического типа обуславливается стабильностью параметров эталонной лампы и точности показаний измеряющего устройства.

Накал нити зависит от силы протекающего по ней электротока, регулируемого реостатом. Наблюдатель через окуляр телескопа видит нить и совмещенное с ней изображение объекта излучения. Ток регулируется реостатом до тех пор, пока визуальная яркость эталонной нити не станет такой же, как яркость изображения тела: в этот момент нить, наложенная на изображение, исчезает.



Нижний предел измерений зависит от глаза человека и ограничен показателем яркости, слишком слабой для наблюдения, верхний является границей приемлемого для глаза значения яркости (примерно 1200-1300°С).

Наиболее популярные модели

ЭОП-66

Рассчитанный на измерение температурных показателей поверхностей тел в интервале +900…+10000°С, пирометр ЭОП-66 используется при проведении научных и лабораторно-исследовательских работ.

Эта модель оборудована телескопом, состоящим из объектива и окулярного микроскопа. Двухлинзовый объектив обладает расстоянием фокусировки 25,4 см, оптическое разрешение пирометра составляет 3:1. Конструкция прибора содержит три патронные лампы, которые в процессе работы поочередно вводятся в поле зрения оператора.

Пирометр оптический ЭОП-66 относится к приборам стационарного типа: его телескоп закрепляется на основании и имеет плавный ход в горизонтальной плоскости.

Кельвин ИКС 4-20

Недорогой высокоточный пирометр Кельвин ИКС 4-20 имеет универсальный диапазон определяемых температурных показателей: -50…+350°С, показатель визирования 1:5, высокое быстродействие – 0,2 с. Использование инструмента предусмотрено в спектральном диапазоне 8-14 мкм.

Компактные габаритные размеры 17х17х22 см и посадочное гнездо крепления объектива М12 делают возможным использование пирометра в качестве как мобильного, так и стационарного устройства. Заявленный производителем класс защиты корпуса IP65 (полная пыленепроницаемость и защита от сильных водяных струй) позволяют применять данную модель в сложных производственных и строительно-промышленных средах.

С-700 «Стандарт»

Этот бесконтактный термометр предпочтителен для использования в качестве инфракрасного детектора температурного значения поверхностей твёрдых и сыпучих объектов, а также расплавленных и текучих материалов различного рода бесконтактным методом.

Сферы применения: строительство, промышленность и производства, металлургия.

Диапазон замеряемых температурных значений +700 … + 2200°С относит данный пирометр к классу высокотемпературных устройств. Два варианта выходного интерфейса (аналоговый выход 4…20 мА или цифровой RS-485) расширяют возможности взаимодействия с внешними носителями.

Купить оптический пирометр можно в приемлемой для любого бюджета ценовой категории, средняя стоимость такого прибора составляет 6000-30000 рублей.

Каков принцип работы пирометра с исчезающей нитью

Металлургам с опытом хорошо известно, что при измерении температуры металлов с помощью пирометров спектрального отношения результаты оказываются завышенными, порой до 10%. О причинах этого завышения и о способах борьбы с ним рассказывается в настоящей статье.

Пирометрией называется наука об измерениях температуры нагретых объектов по их излучению. Соответственно и приборы, определяющие температуру объекта по его излучению, называются пирометрами. Практическая пирометрия возникла на рубеже 19 и 20-го веков. Примерно тогда же и сформировались два основных метода пирометрии: радиационная пирометрия и оптическая пирометрия. Названия эти с течением времени менялись и корректировались, но суть методов осталась неизменной.

Метод радиационной пирометрии использует зависимость энергетической яркости излучения объекта в ограниченном диапазоне длин волн от его температуры. Другими словами, яркость излучения объекта зависит от его температуры. Следовательно, измерив яркость излучения объекта, мы можем измерить (с той или иной точностью) значение температуры объекта. Таким образом, ключевым элементом радиационного пирометра является приемник излучения, преобразующий приходящую на него энергию излучения в иную физическую величину, чаще всего в ток или в напряжение. Его дополняют оптическая система, собирающая в определенном телесном угле излучение от объекта, и электронная схема с системами питания и индикации, усиливающая, преобразовывающая и отображающая результат измерения.

Метод оптической пирометрии первоначально основывался на зависимости спектрального распределения потока излучения нагретого объекта от температуры в диапазоне видимых длин волн. Другими словами, от температуры нагретого объекта зависел цвет его излучения. Объекты, нагретые до 700–800°С, светят темно-оранжевым светом, при 1000–1200°С цвет свечения становится ярко-оранжевым, постепенно переходя в желтый, при 2000°С цвет воспринимается нашим глазом как ярко-желтый, а после 2500°С свечение приближается к белому цвету.

Долгое время основными элементами цветового сравнения были глаз оператора и нагретая нить накала (или спираль), расположенная в окуляре пирометра в поле зрения оператора. Нить в окуляре совмещалась с изображением измеряемого объекта. Регулируя проходящий через накальную нить электрический ток, оператор подбирал такое его значение, чтобы цвет нити совпадал с цветом измеряемого объекта. При определенном значении тока изображение нити «исчезало» на фоне нагретого объекта, что являлось критерием равенства температуры объекта и нагретой нити. Кстати, отсюда пошло и распространенное в литературе название подобных пирометров – пирометры с исчезающей нитью. Другое название этих пирометров, не менее распространенное – цветовые пирометры.

В силу особенностей человеческого зрения описанный метод при опоре на восприятие цвета человеческим глазом имеет серьезные ограничения в точности и повторяемости результатов измерений. Поэтому с развитием компонентной базы весьма субъективные визуальные измерения были вытеснены измерениями с помощью нескольких приемников излучения, работающих в различных спектральных диапазонах. Таких приемников может быть и три, и семь, но на практике чаще всего ограничиваются двумя. Таким образом, в настоящее время этот метод основан на зависимости от температуры отношения энергетических яркостей объекта в двух различных областях спектра излучения. Соответственно, этот метод получил название метода пирометрии спектрального отношения.

В первой половине 20-го века пирометры с исчезающей нитью были распространены гораздо шире радиационных пирометров. С середины прошлого века наметилась обратная тенденция – после появления радиационного пирометра «Radiamatic» фирмы BRAUN его, как принято сейчас говорить, легальные и нелегальные копии начали вытеснять цветовые пирометры. Пожалуй, и сейчас в мире радиационных пирометров используется больше, чем пирометров спектрального отношения, хотя количество последних в нынешнем столетии заметно увеличилось. И радиационные пирометры, и пирометры спектрального отношения имеют как достоинства, так и недостатки, в силу чего ни те, ни другие не в силах вытеснить друг друга с потребительского рынка.
ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ РАДИАЦИОННЫХ ПИРОМЕТРОВ

Радиационные пирометры проще, чем пирометры спектрального отношения. У последних принципиально должно быть не менее двух приемников, усилителей и преобразователей, в то время как радиационные пирометры довольствуются одним комплектом всех необходимых узлов. Еще одно преимущество радиационных пирометров – более высокая, чем у пирометров спектрального отношения, разрешающая способность. Это «забронировало место» для радиационных пирометров в различных эталонных установках.

Далее, в силу ряда причин радиационные пирометры вне конкуренции при измерении температур ниже 300–400°С, и при работе в узких спектральных диапазонах – например, при контроле температуры стекла, измерении через пламя, и т.д. Трудно также предположить, что в обозримом будущем пирометрами спектрального отношения можно будет измерять температуру алюминия и его сплавов в диапазоне до 500°С.

Сказанное предрекает радиационной пирометрии еще долгие годы жизни. Но, увы, метод радиационной пирометрии обладает рядом «врожденных» существенных недостатков, на которых мы кратко остановимся. Основная проблема радиационной пирометрии – это зависимость результатов измерений от излучательной способности объекта. Чтобы было понятнее, представьте себе два полированных алюминиевых чайника, один из которых только снят с полки магазина, а другой, изрядно закопченный, более десятка лет ежегодно вывозился в туристские походы и на слеты. Представьте также, что оба они залиты под завязку водой и доведены до кипения. Если мы попробуем измерить температуру стенок этих чайников хорошо настроенным радиационным пирометром, то при измерении закопченного чайника пирометр покажет температуру от 90 до 98 градусов, а при измерении блестящего полированного – от 25 до 35 градусов. При этом вода в них кипит, т.е. температура внутренних поверхностей обеих стенок около 100 градусов.

Парадоксальное на первый взгляд явление объясняется просто. При одной и той же температуре различные тела излучают по-разному – одни сильнее, другие – слабее. В термодинамике принято, что излучательная способность ε идеального излучателя – «абсолютно черного тела» – равна 1, а излучательная способность реальных тел (естественно меньшая, чем у идеального излучателя) лежит в диапазоне от 0,02–0,03 до 0,98–0,99. То есть, если тело излучает вдвое меньше, чем «абсолютно черное тело», то его излучательная способность равна 0,5, если на 20% меньше – то 0,8 и т.д. Излучательная способность стенки закопченного чайника близка к единице, и составляет 0,95–0,96, в то время как у полированного она немногим больше 0,1. Соответственно, полированный излучает почти в 10 раз меньше, чем закопченный, а по результатам измерений радиационного пирометра выходит, что температура полированного чайника заметно ниже 100°С.

Чтобы исправить ситуацию, разработчики радиационных пирометров снабжают свои изделия органом регулировки, который фактически регулирует коэффициент усиления усилителя сигнала приемника. Шкала этого органа регулировки делается, как правило, от 0–0,1 до 1,0. Если вы установили эту регулировку в положение 0,1, то сигнал от приемника дополнительно усилится в 10 раз, если 0,2 – в 5 раз, если 0,67 – в 1,5 раза, и т.д. Таким образом, вам предоставляется возможность получить правильный результат измерений для объектов с любой излучательной способностью – будь она равна любому значению из диапазона от 0,1 до 0,99.

Это замечательное техническое решение – назовем его коррекцией по излучательной способности – имеет один серьезнейший недостаток. При измерении объекта вы должны довольно точно знать его излучательную способность. В ряде случаев можно требуемую информацию получить из справочников. Но очень часто в них или нет данных на ваш объект, или приведенные данные некорректные (к примеру, справедливы для пирометра, работающего в ином спектральном диапазоне, чем ваш). Так что вместо задачи по измерению температуры объекта перед вами встает задача определения правильного значения коэффициента коррекции. И иногда вторая задача оказывается вовсе не проще первой. Кроме этих радиационные пирометры имеют ряд иных существенных недостатков, их результаты зависят от: расстояния до измеряемого объекта, формы объекта, запыленности и загазованности промежуточной среды, наличия защитных стекол и непрозрачных объектов в поле зрения пирометра, боковых засветок при работе с крупноразмерными объектами, переотражений измеряемым объектом излучения сильно нагретых объектов, расположенных рядом. Как видите, факторов, мешающих получению радиационными пирометрами точных результатов, набирается с десяток. Именно поэтому пользователи все чаще и чаще задумываются об использовании пирометров спектрального отношения, более дорогих, чем радиационные, но свободных от всех вышеперечисленных недостатков.
ДОСТОИНСТВА ПИРОМЕТРОВ СПЕКРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ

Пирометры спектрального отношения определяют температуру объекта по отношению сигналов от двух приемников, работающих на разных длинах волн. Такой принцип измерения температуры позволяет избавиться от всех вышеперечисленных недостатков, свойственных радиационным пирометрам. Зависимость сигнала от расстояния одинакова для обоих приемников пирометра спектрального отношения, поэтому на отношение сигналов она не влияет. Форма измеряемого объекта, запыленность и загазованность промежуточной среды одинаково влияют на сигналы с обоих приемников, оставляя неизменным их отношение. Пирометры спектрального отношения нечувствительны к боковым засветкам от крупноразмерных объектов, наличию небольших непрозрачных объектов в поле зрения пирометра, к наличию защитных стекол, например стекол смотровых окон в вакуумных камерах. Отношение сигналов по-прежнему остается неизменным. Да и отличие значения ε измеряемого объекта от 1 чаще всего приводит к одинаковому уменьшению сигналов с обоих приемников. Поэтому отношение сигналов слабо зависит от ε, и корректный результат измерения получается без знания ε объекта.
ДВА НЕДОСТАТКА ПИРОМЕТРОВ СПЕКТРАЛЬНОГО ОТНОШЕНИЯ

Во-первых – цена. Пирометр спектрального отношения сложнее радиационного, априори состоит из большего числа элементов, труднее калибруется. Отсюда и более высокие цены на них, за дополнительные узлы и дополнительную работу платить приходится больше.

Во-вторых, как ни прискорбно, но излучательная способность измеряемого объекта ε влияет на результаты измерений. Точнее, результат измерения пирометра спектрального отношения зависит не столько от величины излучательной способности или от ее изменения от объекта к объекту, сколько от спектральной зависимости ε = f(λ). На рис.1 приведены спектральные зависимости излучательной способности ελ для 5 металлов: Fe, Ni, Cu, Ag, Co [1]. Отметим, что они характеризуют большинство металлов и их сплавов.Из рисунка видно, что все зависимости имеют однотипный характер – с ростом длины волны спектральная излучательная способность ελ снижается. Это приводит к тому, что сигнал длинноволнового приемника пирометра спектрального отношения оказывается заниженным по сравнению с коротковолновым. По этой причине показания пирометра спектрального отношения оказываются завышенными нередко более чем на 10%.

Аналитически рассчитать величину погрешности, вызванной снижением ελ, возможно лишь в случае, если полосы пропускания приемников очень узкие, не более 10–12 нм. Однако, в последнее время подавляющее большинство пирометров спектрального отношения использует двухслойные фотодиодные структуры, верхний слой которых обладает максимальной чувствительностью в коротковолновой области спектра, нижний – в длинноволновой. Полосы спектральной чувствительности этих приемников составляют десятки и сотни нанометров, что исключает погрешность, обусловленную непостоянством ελ. Добавим к этому, что информация по ελ для большинства материалов, которые нужно измерять в промышленности, крайне скудна или вовсе отсутствует [2]. Именно по этим причинам вопрос о коррекции показаний пирометров спектрального отношения при измерении температуры объектов с излучательной способностью, зависящей от длины волны, ранее не был решен. Долгое время пользователи мирились с этим, так как во многих случаях важно не столько точное знание измеряемой температуры, сколько соблюдение ее повторяемости в ходе технологического процесса.
РУЧНАЯ КОРРЕКТИРОВКА И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ

Самым простым решением снижения этой погрешности оказалось внедрение в пирометры спектрального отношения дополнительного регулировочного узла, который позволяет корректировать отношение сигналов от приемников излучения примерно до полутора раз как в ту, так и в другую сторону. Таким образом, зная реальную температуру измеряемого объекта, можно «подкрутить ручку» таким образом, чтобы показания пирометра были правильными. Однако работу по определению значений этих корректирующих коэффициентов производители пирометров негласно переложили на плечи пользователей. В то же время информации о том, каково значение этого коэффициента для измеряемых пользователем объектов, в справочной литературе нет. И пользователь, как и раньше, должен снова крутить ручку, но теперь уже у пирометра спектрального отношения, который изначально предполагался свободным от подобных органов корректировки.

Но и это еще не все. Дело в том, что даже если вы нашли значение этого корректирующего коэффициента для измеряемого вами металла при какой-то температуре, то использовать найденный коэффициент при измерении этого же металла, но при других температурах нельзя, т.к. это приведет к ошибочным результатам. Это утверждение иллюстрируют данные таблицы 1 по измерениям меди. Реальная температура объекта приведена в первой строке таблицы. Во второй приведены показания цветового пирометра при измерении температуры без использования корректирующего коэффициента (К = 1). Значения корректирующего коэффициента, необходимые для точного измерения соответствующей температуры, приведены в третьей строке (знак «минус» говорит о том, что корректировка необходима в сторону снижения). Как нетрудно заметить, коэффициенты отличаются друг от друга, причем тот, который соответствует температуре 1200°С, больше коэффициента, соответствующего температуре 600°С, почти на 25%.

Предположим, мы подобрали такое значение корректирующего коэффициента, и пирометр правильно измеряет объект при температуре 900°С. Четвертая строка таблицы показывает, каковы будут показания пирометра при использовании этого коэффициента (К = -1,4113) при измерении других температур. Нетрудно заметить, что уже на температурах 800 и 1000°С погрешность измерения при использовании коэффициента, идеально подобранного для 900°С, составляет 2%. При измерении на 1200°С эта погрешность превышает 5%, а на 600°С – 6%. Это конечно меньше 11%-ной погрешности, которая была при измерении объекта при 1200°С нескорректированным пирометром, но о том, что с коэффициентом, подобранным для 900°С, можно получать корректные результаты при измерении того же объекта, но при любых других температурах, надо забыть.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ПОКАЗАНИЙ

Эти два серьезнейших недостатка снижения погрешности измерений цветовых пирометров путем ручной корректировки отношения сигналов побудили разработчиков пирометров ДИЭЛТЕСТ найти другой способ коррекции, свободный от указанных проблем. Он освобождает пользователя от самостоятельного определения коэффициентов, неизвестных ему заранее, и одинаково хорошо корректирует показания во всем диапазоне измерений пирометра. Суть его состоит в следующем. Как упоминалось выше, аналитический учет величины погрешности, вызванной непостоянством ελ, возможен лишь в том случае, если полосы пропускания приемников не более 10–12 нм. В остальных случаях расчеты могут быть проведены только численными методами.

В то же время, благодаря развитию компьютерной техники и программного обеспечения численные методы интегрирования давно уже перестали быть проблемой. Поэтому численный расчет корректирующего сигнала для приемника с известной спектральной характеристикой и материала с известной зависимостью излучательной способности ελ от длины волны не сложен. Типичные спектральные характеристики фотоприемника, используемого в пирометрах ДИЭЛТЕСТ-ТЦ, приведены на рис.2. Расчет проводился в следующей последовательности. Вначале определялась градуировочная характеристика пирометра:

где Eλ(T) – спектральная плотность энергетической яркости МЧТ*, Вт×м3×ср; Sλ – спектральная чувствительность приемника (коротковолнового или длинноволнового), А/Вт; λ1 и λ2, λ3 и λ4 – нижняя и верхняя границы спектральной чувствительности коротковолнового и длинноволнового приемников, соответственно в метрах.

Затем для значений температур от 600°С до 3000°С с шагом 1°С рассчитывалось значение спектрального отношения, получаемое при измерении объекта с выбранной ελ:

Получаемые при расчете по (2) значения Qобъекта (Т) использовались в качестве аргумента при расчете функции, обратной к (1).
КОРРЕКЦИЯ ПОКАЗАНИЙ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛОВ В ПИРОМЕТРАХ ДИЭЛТЕСТ

Краткие результаты расчета по формулам (1) и (2) сведены в табл.2. Видно, что для всех ελ, приведенных на рис.1, величины корректирующих сигналов ведут себя схожим образом. Во всех случаях показания завышены. При этом для Fe, Ni и особенно Co, характеризующихся не очень крутым спадом ελ с ростом λ, завышения на 1600°С не превышают 161°С. В то же время для Ag, а для Cu особенно, величины завышений значений увеличиваются в 2 раза. Это обусловлено более сильным ослаблением сигнала длинноволнового приемника для Ag и Cu. Знание величины корректирующих сигналов позволяет вводить программную коррекцию в пирометр спектрального отношения при работе с металлами.

Указанный метод коррекции показаний при измерении температуры металлических тел введен в пирометры серии ДИЭЛТЕСТ. Для экспресс-контроля в металлургии и машиностроении используются переносные приборы ДИЭЛТЕСТ-ТЦхП (рис.3). Однако во многих технологических процессах необходимо непрерывно контролировать температуру объектов в течение нескольких часов или даже суток. Это измерение температуры металлов при плавке и заготовок при литье, контроль температуры проката на станах, деталей в процессе термообработки, измерения температуры реагентов и катализаторов в химических реакторах. Для решения подобных задач применяют стационарные пирометры ДИЭЛТЕСТ-ТЦхСy. Их основным отличием от переносных является наличие аналогового выхода (например, токового выхода 0…20 мА), соединяемого со входом регистрирующего самописца (рис.4). Иногда такие пирометры включают в контур управления процессом, и в этом случае сигнал с аналогового выхода используется не только для регистрации, но и для регулирования температуры объекта.

Для ряда материалов, в том числе высоколегированных сталей, была исследована зависимость ελ от λ. Оказалось, что для приборов серии ДИЭЛТЕСТ-ТЦ можно подобрать универсальную корректирующую кривую, подходящую как для чистого железа и высоколегированных сталей, так и для ряда других металлов (никель, кобальт и т.п.). При этом для большинства этих металлов коррекция возможна до уровня, при котором погрешность измерений в диапазоне температур от 600 до 2400°С составляет всего 1–1,5% (для кобальта – до 2%). Коррекция показаний осуществляется переводом в положение «ВКЛ» тумблера коррекции, установленного на задней панели прибора (см. рис.4). Указанный способ коррекции не только сохраняет все преимущества, которыми обладают пирометры спектрального отношения, но и избавляет пользователя от необходимости вводить в прибор корректирующий коэффициент, значение которого ему неизвестно, и заменяет механическую подстройку. Поэтому измерения температуры многих металлов выполняются без роста погрешности во всем диапазоне измеряемых температур.

1. Брамсон М.А. Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых тел. Т.1. –М.: Наука, 1964.

2. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / Под ред. Шейндлина А.Е. –М.: Энергия, 1974.

Пирометры и их принцип действия

Пирометры – приборы дистанционного измерения и регистрации температуры поверхности объекта, принцип действия которых основан на восприятии и преобразовании теплового излучения объекта в инфракрасном спектре излучения и видимого света в информационные показатели на дисплее. Такие приборы в измерениях используют принцип радиационной пирометрии и часто называются инфракрасными радиометрам.

Как работает пирометр:

• Тепловое излучение от исследуемого объекта фокусируется оптической системой прибора (если она установлена для повышения чувствительности и дальности действия) и попадает на фотоэлектрический датчик, который является первичным преобразователем тепловой и световой энергии в электрическую. Под воздействием сфокусированного мощного излучения в полупроводниковом фотоэлементе происходит активация электронов и поляризация материала, что влечет возникновение электрического потенциала и снижения направленного электрического сопротивления.
• Возникающий в фотоэлементе электрический потенциал поступает на электронную сборку с усилителем сигнала и микропроцессорным дешифратором (преобразователем), который и выводит измеренные параметры на жидкокристаллический дисплей.
• Принцип действия пирометра в зависимости от модификации может несколько отличаться, причем главным и важнейшим отличием является чувствительность восприятия фотоэлементом различного спектра излучения. Одни модели регистрируют только инфракрасное излучение, а другие – способны «подхватывать» и другие спектральные излучения, что расширяет их функциональные возможности, позволяет увеличить расстояние от исследуемого объекта и повышает точность проводимых измерений.
• Несмотря на то, что есть прямая зависимость между повышением температуры объекта и его излучающей мощностью, пересчет степени электромагнитного излучения в информационные данные осуществляет электронная схема прибора, которая обязательно нуждается в первичной калибровке и периодической поверке на специализированном стенде. Без программирования электронные пирометры не способны регистрировать правильные и точные результаты.
• Для удобства эксплуатации измерительного прибора он снабжается световым указателем («лазером»), при этом не стоит забывать, что принцип действия пирометра основан на восприятии температурного излучения другим фотодатчиком, который не должен перекрываться другими предметами или быть поврежденным.



V&A производит приборы уже много лет, компания всегда остается верной своей миссии, создания высококачественных приборов и продуктов, которые отвечают потребностям своих клиентов.

Похожие публикации:
1. Как из пассивной антенны сделать активную
2. Как называется удлинитель с кнопкой
3. Как снять домашнюю антенну онлайн с телефона
4. Что такое лр в физике