Реферат Описание и применение пирометров
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
от 25%
договор
1. Описание и применение пирометров
Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами.
Пирометры – бесконтактные измерители температуры по-прежнему являются незаменимыми элементами цепей контроля и управления в целом ряде отраслей промышленности – металлургической, машиностроительной, электронной, химической, медико-биологической и т.д. Им нет альтернативы при измерении температуры движущихся (например металл на прокатном стане), труднодоступных или находящихся в опасных зонах (подстанции высокого напряжения) объектов. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы и получили название бесконтактный.
Принцип действия пирометра заключается в измерении силы теплового излучения, исходящего от объекта преимущественно в диапазонах видимого света и инфракрасного излучения.
Изначально термин «пирометр» использовался для обозначения прибора, предназначенного для измерения температуры по яркости предельно нагретого предмета. На сегодняшний день понятие несколько расширилось, поскольку, с развитием технологий появились абсолютно новые приборы – инфракрасные пирометры.
Пирометры могут быть:
· Односпектральными. Такие пирометры принимают излучения только в одном спектральном диапазоне. Односпектральные пирометры в свою очередь подразделяются на радиационные (мощность теплового излучения переводится в температуру) и яркостные (в диапазоне красного света измеряются яркости эталонного объекта и объекта измерения). В эту подгруппу входят пирометры полного излучения.
· Мультиспектральными. Также их называют цветовыми или пирометрами спектрального отношения.
На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:
1. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;
2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;
3. пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.
Пирометры применяют в различных отраслях. Сфера их применения достаточно широка:
Ø Измерения температур опасных для человеческого организма поверхностей и сред, в том числе, горячих.
Ø Измерение температурных показателей недоступных и труднодоступных объектов.
Ø Сканирование для поиска холодных или горячих точек.
Ø Диагностические работы с электро- и теплооборудованием.
Ø Быстрое (мгновенное) определение температуры объектов, которые пребывают в движении.
Ø Профилактика и диагностика ж/д и автотранспорта.
Ø Поддержание противопожарной безопасности.
Ø Контроль и проверка систем кондиционирования, вентиляции и отопления.
Ø Электроаудит и электродиагностика.
Ø Работы по профилактике оборудования в любой отрасли промышленности.
Большая часть пирометров разрабатывалась и выпускалась на Украине: на Каменец-Подольском приборостроительном заводе (КППЗ), Харьковском заводе "Прибор" и во Львовском НПО "Термоприбор". В целом парк приборов СССР составлял 200-300 тыс. приборов, большую часть которых (до 70-80%) составляли визуальные пирометры с исчезающей нитью типа "Проминь". Серийный выпуск пирометров в ограниченных объёмах (всего около 15-25% от общего количества) проводился в Москве, Ленинграде, Свердловске, Горьком, который в настоящее время прекращен. Основную массу парка приборов составляли приборы с основной погрешностью 1-5%.
Использование современной элементной базы существенно расширило возможности этих приборов и позволило наделить их новыми свойствами – помимо измерения они могут теперь проводить обработку полученной информации и осуществлять сложные действия по управлению технологическим процессом. Снизился их вес, уменьшились габариты, приборы стали проще и удобнее в эксплуатации.
Все это оказалось возможным благодаря применению в приборах новой элементной базы, включающей микропроцессоры. Использование электроники нового поколения позволило также снизить процент отказов приборов как за счет уменьшения количества используемых элементов, так и за счет высокой надежности каждого из них. Кроме того, более корректно учитывается влияние излучательной способности измеряемого объекта и температуры окружающей среды, что позволило повысить точность измерений в цеховых условиях. Высокая стабильность источников опорного напряжения и цифровое преобразование сигнала приемника излучения в температуру создали предпосылки для увеличения межповерочного интервала пирометров.
Применение пирометров.
Пирометры находят с каждым годом все более широкое применение в самых различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Причем во многих случаях применение их оказывается не только предпочтительным по сравнению с контактными средствами измерения температуры, т. е. термометрами, но и единственно возможным.
Это, прежде всего, касается измерения температуры объектов, контакт с которыми затруднен или невозможен, вследствие движения объекта (струя металла при выпуске из печи или ковша, слиток в процессе проката, лопатка вращающейся турбины), его удаленности или недоступности (линии электропередач, изделия в вакуумных печах или камерах).
Поскольку пирометры принципиально не имеют ограничения верхнего предела измерения и не требуют контакта с объектом, то они применяются для измерения высоких и сверхвысоких температур (пламени, плазма), для измерения температуры агрессивных сред (жидкий металл, особенно цветной). Термометры при таких измерениях теряют свои метрологические свойства или просто разрушаются.
Применение пирометров предпочтительно в ряде случае при автоматизации процесса там, где необходим непрерывный контроль температуры, при измерении температуры в быстропротекающих процессах (взрыв, вспышка, импульсный нагрев), так как постоянная времени фотоэлектрических приемников излучения чрезвычайно мала и это делает пирометрический контроль практически безынерционным.
И, наконец, пирометры необходимы в тех случаях, когда недопустимо искажение температурного поля объекта, которое может произойти в результате контакта термометра с объектом измерения. Это элементы микросхем, биологические объекты и т. п. При необходимости иметь картину температурного поля объекта (термограмму) незаменимы сканирующие пирометры (тепловизоры).
Преимущества и недостатки пирометрического (бесконтактного) метода перед контактными.
Перед контактными методами измерения температуры пирометрические обладают следующими преимуществами:
- высоким быстродействием, определяемым типом приемника излучения и схемой обработки электрических сигналов. При использовании квантовых приемников излучения (фотодиодов) и быстродействующих аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) постоянная времени может составлять 10-2 – 10-6 с.;
- возможностью измерения температуры движущихся объектов и элементов оборудования, находящихся под высоковольтным потенциалом;
- отсутствием искажения температурного поля объекта контроля, что особенно актуально при измерении температуры материалов с низкой теплопроводностью (дерево, пластик и др.), а также риска повреждения поверхности и формы в случае мягких (пластичных) объектов;
- возможностью измерения высоких температур, при которых применение контактных средств измерения либо невозможно, либо время их работы очень невелико;
- возможностью работы в условиях повышенной радиации и температуры окружающей среды (до 250°С) при разнесении приемной головки и электроники пирометра с помощью оптоволоконного кабеля.
Основными недостатками пирометрических измерений температуры являются трудности полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиацией. Необходимо учитывать изменение излучательной способности поверхности e от длины волны l
в регистрируемом спектральном диапазоне и от температуры T
в диапазоне измерений, наличие поглощения излучения в среде между пирометром и объектом контроля, геометрические параметры поля зрения пирометра и его оптической системы, температуру окружающей среды и корпуса прибора. Рассмотрим основные факторы, влияющие на точность результатов измерений пирометром более подробно:
а) Как известно, пирометр вычисляет температуру объекта измеряя поток теплового излучения с некоторой части его поверхности в рабочей области спектра (либо используя отношение потоков в двух и более областях спектра – в пирометрах спектрального отношения).
Для расчета плотности излучения в заданном спектральном интервале применяют закон Планка, который является основным и наиболее общим законом в теории теплового излучения:
, Вт/см3, где ε - излучательная способность, С1 и С2 – первая и вторая постоянные Планка, l - длина волны, Т – температура.
Объект, полностью поглощающий падающее на него излучение, обладает наибольшей излучательной способностью e = 1 и называется “абсолютно черным телом” (АЧТ). Реальные объекты имеют излучательную способность меньше 1 и, следовательно, излучают меньше энергии. Проблема заключается в том, что для большинства реальных объектов излучательная способность зависит от температуры и длины волны, т.е. e = f(l,T), а также от многих других факторов – материала и формы объекта, состояния поверхности, наличия оксидной пленки, конденсата влаги и т.п (см. рис. 1).
Рис. 1. Излучательная способность АЧТ и реальных объектов
Дерево, пластик, органические материалы, камень, графит имеют излучательную способность около 0.8-0.95, в противоположность им излучательная способность металлов может изменяться в очень широких пределах, зависит от температуры и длины волны. Поверхность расплавленного металла образует гладкое зеркало, излучательная способность которого может быть менее 0.1, а излучательная способность плавающего на поверхности шлака может достигать значений 0.9-0.95.
Для корректного измерения температуры необходимо точно указать пирометру излучательную способность объекта, для определения которой можно воспользоваться справочными данными либо некоторыми практическими методами.
б) Между пирометром и объектом не должно быть препятствий непрозрачных в рабочей области спектра пирометра, в противном случае, в результате уменьшения потока излучения, показания пирометра будут занижены. Объект измерения, напротив, должен быть непрозрачным в данной области спектра.
Значительные погрешности возникают также при загрязнении поверхностей оптической системы пирометра, что приводит к необходимости их периодической очистки, или, в особо тяжелых условиях, к непрерывному обдуву чистым воздухом.
в) Оптическая система формирует поле зрения пирометра – область пространства, в пределах которой производится измерение температуры. Для корректного проведения измерений необходимо чтобы объект полностью перекрывал поле зрения. В противном случае, во первых, поток теплового излучения попадающий на приемник (датчик) пирометра от объекта измерения уменьшится пропорционально сокращению перекрываемой объектом площади, во вторых, на приемник будет попадать излучение заднего фона (объектов, расположенных за объектом измерения).
В качестве параметра, определяющего диаметр поля зрения пирометра, обычно используют “показатель визирования” h, равный отношению диаметра поля зрения к расстоянию до точки измерения.
Наиболее точно рассчитать диаметр поля зрения возможно при использовании диаграммы поля зрения пирометра, на которой приводится диаметр (или радиус) поля зрения в зависимости от расстояния до объекта измерения.
г) Пирометром может быть измерена только температура поверхности объекта, измерение температуры внутри объекта возможно лишь путем нарушения его целостности (что справедливо и для контактных средств измерения).
д) Для настройки и поверки пирометров необходимо использовать модели АЧТ, излучательная способность которых близка к единице и определена с высокой точностью.
2. Классификация. Принцип действия. Схема конструкции.
2.1.Пирометры частичного излучения
К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.
Оптические пирометры.
Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры. На (рис. 11) представлена схема оптического пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.
Изображения излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания лампы 5. Оператор через диафрагму 6 линзу 8 окуляра и красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне. При равенстве яркости излучателя и нити последняя "исчезает" из поя зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется с помощью батареи 10. Прибор 9, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в 0С.
Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700 до 8000 0С. Для оптических пирометров промышленного применения в интервале температур 1200¸2000 0С
основная допустимая погрешность измерения составляет ±20 0С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а так же за счет отражения посторонних лучей.
Фотоэлектрические пирометры.
Фотоэлектрические пирометры частичного излучение обеспечивают непрерывное автоматическое измерения и регистрацию температуры. Их принцип действия основан на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.
Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы:
1)пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения;
2) пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, при чем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.
На (рис. 12) приведена схема фотоэлектрического пирометра, относящегося ко второй группе пирометров. В нем в качестве приемника излучения применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 3 объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5 таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента 6, расположенного за светофильтром, определяется яркостью излучателя, т. е. его температурой. В держателе светофильтра расположено еще одно отверстие 8, через которое на фотоэлемент попадает поток от лампы обратной связи 17. Световые потоки от излучателя 1 и лампы 17 подаются на катод попеременно с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки 9. Возвратно-поступательное движение заслонки обеспечивается с помощью катушки возбуждения 10 и постоянного магнита 12. В вибраторе происходит перемагничивание стального якоря 11, который с частотой 50 Гц поочередно притягивается полюсами магнита 12 и перемещает заслонку 9.
При различии световых потоков излучателя 1 и лампы 17 в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу, что вызывает изменение силы тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.
В цепь лампы 17 включено калиброванное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 15, снабженным температурной шкалой. Окуляр 4 обеспечивает наводку устройства на объект измерения.
В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения от 500 до 1100 0С применяют кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800¸4000 0С вакуумный сурьмяно-цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра 0.65±0.01 мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического пирометра.
Оптические пирометры, с исчезающей 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. Принципиальная схема оптического пирометра типа ОППИР-017 приведена на рис.1а.
Рис.1
Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с объективом (1) и окуляром (4). Перед окуляром помещен красный светофильтр (3). 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 (5). Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом (6). В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки (рис.1б). 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 (8), включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому пирометру или по температурным лампам, в °С яркостной температуры.
Как указывалось выше, если объект измерения по своей излучающей способности близок к абсолютно черному телу, то показываемая пирометром яркостная температура равна истинной температуре объекта. Однако излучающая способность реальных физических тел не достигает излучающей способности абсолютно черного тела. Поэтому при одинаковой яркости излучения, т.е. при одинаковой яркостной температуре, истинная температура Т реального физического тела будет выше яркостной температуры ТS, показываемой оптическим пирометром. Соотношение истинной и яркостной температур определяется выражением
( 1 )
где, Т и ТS - истинная и яркостная температуры в градусах абсолютной шкалы;
- длина волны света, в котором измеряется яркостная температура (для оптических пирометров обычно = 0,65 мкм);
с2 - 1,438 см/град. – постоянная;
- коэффициент излучательной способности (коэффициент черноты) реального тела для длины волны .
Коэффициент излучательной способности всегда меньше единицы и больше нуля и колеблется в этих пределах в зависимости от материала, его состояния (жидкое, твердое) и шероховатости поверхности. Значительное влияние на величину коэффициента черноты оказывает наличие пленки окисла на поверхности раскаленного металла. Так, например, углеродистая сталь для = 0,65 мкм имеет в твердом состоянии = 0,35, в жидком - 0,37; наличие пленки окисла на твердой поверхности стали увеличивает коэффициент черноты до 0,8.
Для определения истинной температуры объекта в показания оптического пирометра необходимо вносить поправку, определяемую на основе формулы (1) или по таблицам, составленным по той же формуле. При этом величина поправки может быть значительной. Например, при коэффициенте черноты = 0,35 и яркостной температуре 2400°С истинная температура составляет 2795°С.
Колебания коэффициента черноты в зависимости от состава и температуры металла и состояния его наблюдаемой поверхности являются одним из основных источников погрешностей измерения температуры оптическими пирометрами.
Во избежание перегрева нити, ее температура не должна превышать 1500°С, поэтому при измерениях в диапазоне более высоких температур перед лампой устанавливается поглощающий светофильтр (7), уменьшающий видимую яркость излучения объекта.
Отечественные пирометры выпускаются с диапазонами измерения 1200-3200 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 типа ОППИР-017 применяется сдвоенный щелочной аккумулятор НКН-10. 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.
2.
2. Пирометры спектрального излучения
Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны .
На (рис. 13) приведена схема двухканального пирометра спектрального отношения (ПСО), в котором преобразование энергии получения в электрические сигналы производится с помощью двух кремниевых фотодиодов. Поток излучения от объекта измерения 1 с помощью оптической системы, состоящей из линз 2, апертурной и полевой диафрагмы 3, передается на интерференционный светофильтр 4. Последний обеспечивает выделение двух потоков, каждый из которых характеризуется собственным спектром. Данные потоки попадают на кремниевые фотодиоды 7, которые преобразуют излучение в фототок, протекающий через сопротивление R1 и R2, включенные в измерительную схему вторичного регистрирующего прибора – логометра. Разность падений напряжений на сопротивлениях подается на вход усилителя 5, выходной сигнал которого поступает на реверсивный двигатель 6, перемещающий движок реохорда R2 и стрелку относительно шкалы наступления баланса, соответствующего измеряемой температуре.
Интерференционный фильтр 4 является полупрозрачным зеркалом, имеющем высокий коэффициент пропускания в одной и высокий коэффициент отражения в другой области спектра. Зеркало 8 и окуляр 9 обеспечивают визуальную наводку объектива пирометра на объект измерения. Для уменьшения погрешности от влияния окружающей температуры фильтр 4 и приемники излучения 7 помещены в термостат.
ПСО используются для измерения температур твердого и расплавленного металла в широком интервале температур от 300 до 2200 0С и имеют класс точности 1 и 1.5 (в зависимости от предела измерения). Данные пирометры имеют в 3-5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени черноты излучателя. На их показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной среды. Однако в тех случаях, когда объект характеризуется селективным излучением (степень черноты при одной и той же температуре резко изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть выше погрешности пирометров излучения других типов. ПСО более сложны и менее надежны, чем другие приборы.
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.
Для абсолютно черного тела отношение монохроматических яркостей излучений длин волн и будет
(1)
или
(2)
Обозначения те же, что и в формуле (1).
Для нечерного тела, обладающего в длинах волн и неодинаковыми коэффициентами излучательной способности и отношение яркостей будет
(3)
Многие металлы (сталь, чугун, алюминий, платина и др.), имеют практически одинаковый коэффициент излучательной способности во всем спектре видимого излечения. Тела, обладающие этим свойством называют "серыми" телами. Для "серого" тела = и Р = Ру, т.е. соотношение монохроматических яркостей при данной температуре Т такое же, как у абсолютно черного тела.
Как видно из формул (2) и (3) отношение монохроматических яркостей для двух заданных длин волн является однозначной функцией абсолютной температуры тела Т. В цветовых пирометрах измерение температуры осуществляется по величине отношения монохроматических яркостей накаленного тела в красной и синей областях спектра. Принципиальная схема цветового пирометра ЦЭП-2М представлена на рис.2.
Рис.2.
Излучение объекта измерения через защитное стекло (1) и объектив (2) падает на фотоэлемент (4). Между объективом и фотоэлементом установлен вращающийся диск (обтюратор)(3), 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 (5) и преобразуются специальным электронным логарифмирующим устройством (6) 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 (7), 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 пирометра ЦЭП-2М 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. Пирометр ЦЭП-2М предназначен для не непрерывного измерения и регистрации температуры в металлургической промышленности и может также быть использован в системах автоматического регулирования производственных процессов.
2.3. Пирометры суммарного излучения
Пирометры суммарного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании законаСтефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0.4¸2.5, а для плавленого кварца 0.4¸4 мкм.
Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п. Наиболее широко применяются термобатареи (рис. 14 а), в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы 4 термопар 2. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам 1, закрепленным на слюдяном кольце 3. Металлические выводы 5 служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры.
Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20±2 0С, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей. Так, при температуре корпуса 40 0С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4 0С. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.
На (рис. 14б) показано устройство телескопа ПСИ. Он включает: корпус 1 с диафрагмой 7; объектив, имеющий стеклянную или кварцевую линзу 2, устанавливаемую во втулке 13, ввинчиваемой в корпус; блок термобатареи, состоящей из самой термобатареи 3, корпуса 5, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма 6, и контактных винтов 10; компенсационное медное сопротивление 4, шунтирующее термобатарею и обеспечивающее уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляр, включающий линзу 8 и защитное стекло 9. Фланец 11 служит для крепления корпуса к защитной арматуре, обеспечивающей работу пирометра в тяжелых условиях металлургического производства.
Получение стандартной градуировки обеспечивается перемещением диафрагмы 6, зубчатый венец которой сочленен с зубьями трубки 12.
Диафрагма, устанавливаемая в телескопе, ограничивает телесный угол визирования, что исключает влияние на показания размеров излучателя и его расстояния от пирометра. При этом на термобатарею попадает излучение только с определенного небольшого участка объекта измерения. Размеры этого участка определяются по показателю визирования, который является отношением наименьшего диаметра излучателя к расстоянию от объекта измерения до объектива телескопа. При этом изображение круга, вписанного в излучатель, полностью перекрывает отверстие диафрагмы 6, находящейся перед термобатареей. Телескопы с показателем визирования более 1/16 являются широкоугольными, а с показателем, равным или меньшим 1/16, - узкоугольными.
При измерении температуры в схему пирометра между телескопом и вторичным прибором (милливольтметром или потенциометром) включается панель уравнительных и эквивалентных сопротивлений – панель взаимозаменяемости телескопов типа ПУЭС. Она обеспечивает постоянную нагрузку телескопа при работе с одним или двумя вторичными приборами, а также замену телескопа одной градуировки на телескоп другой градуировки. Защита пирометра от пыли, высокой температуры, механических воздействий обеспечивается с помощью специальной защитной арматуры.
Сопротивление соединительной линии между ПСИ и потенциометром не должно превышать 200 Ом, а при работе с милливольтметром оно равно 5 Ом.
ПСИ имеют меньшую точность по сравнению с другими пирометрами. Методические погрешности измерения температуры при использовании ПСИ возникают вследствие значительной ошибки определения интегральной степени черноты , из-за неправильной наводки телескопа на излучатель, из-за влияния излучения кладки (измерение температуры металла в печах) и из-за поглощения энергии водяными парам и углекислым газом, содержащихся в слое воздуха, находящегося между излучателем и пирометром. Вследствие последней причины оптимальным считается расстояние 0.8-1.3 м.
Вид материала линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения низких температур начиная с 100 0С, кварцевое стекло используется для температуры 400¸1500 0С, а оптическое стекло для температур 950 0С и выше.
ПСИ измеряют температуру от 100 до 3500 0С. Основная допустимая погрешность технических промышленных пирометров возрастает с увеличением верхнего предела измерения и для температур 1000, 2000 и 3000 0С составляет соответственно ±12; ±20 и ±35 0С.
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 2 (рис.3), рабочие спаи которых нагреваются излучением объекта измерения (1), фокусируемых с помощью оптической системы (3). Возникающая Т.Э.Д.С. измеряется с помощью милливольтметра или автоматического потенциометра (4), градуированного в градусах.
Рис.3
Зависимость между полной энергией излучения абсолютно черного тела и его температурой выражается уравнением
( 4 )
где, ET - полная энергия излучаемая телом при абсолютной температуре Т за одну секунду с поверхности площадью 1 см2;
- коэффициент пропорциональности равный 5,75 вт/см2 град.4
Для тел, не являющихся абсолютно черными,
( 5 )
где, - коэффициент излучающей способности, определенный для полного излучения тела.
Радиационные пирометры градуируются по абсолютно черному телу и показывают так называемую "радиационную" температуру. Связь между истинной температурой тела и его радиационной температурой, показываемой прибором, находится из формул (4) и (5).
(6)
где, Тр - радиационная температура тела, показываемая радиационным пирометром. Так как <1, то истинная температура больше радиационной. Поправка, которые необходимо вносить в показания радиационного пирометра для определения истинной температуры, могут достигать нескольких сотен градусов, если объект измерения по своим радиационным свойствам значительно отличается от абсолютно черного тела.
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 капильные трубки. Калильную трубку изготавливают из огнеупорного материала и помещают в топку котла закрытым концом внутрь. Пламенем топки трубка быстро нагревается, и температура ее становится равной температуре топки. Телескоп радиационного пирометра направляется во внутреннюю полость трубки, выполняющей роль излучателя, и затем в обычном порядке производят измерение температуры.
2.4. Прецизионные пирометры серии ПД-4
Прецизионные стационарные пирометры серии ПД-4 благодаря высокому оптическому разрешению обеспечивают возможность измерения температуры малых объектов, высокоскоростной процессор позволяет обрабатывать и передавать на ПЭВМ и токовый выход до 50 измерений в секунду. Оптическая система наведения позволяет наблюдать область измерения температуры на фоне объекта контроля.
В пирометрах серии ПД-4 предусмотрено:
- изменяемое фокусное расстояние;
- изменение скорости измерений от 1 до 50 изм./c;
- программируемый цифровой фильтр;
- одновременный аналоговый и цифровой выходы;
- связь с ПЭВМ по интерфейсу RS-232 с гальванической развязкой;
- токовый выход с программируемым диапазоном температур и режимами тока 0-5, 0-20 и 4-20 мА;
- сигнализация обрыва токового выхода (5В, 20мА);
- два программируемых выходных ключа (5В, 20мА);
- контроль температуры корпуса прибора.
Питание пирометра осуществляется от входящего в комплект поставки источника постоянного тока 18 В, 600 мА.
Модификации прибора ПД-4-03, ПД-4-04 и ПД-4-06 предназначены для высокоточного измерения температуры в полостях образцовых излучателей типа моделей АЧТ, ампул реперных точек, поверки рабочих пирометрических средств. В пирометры устанавливаются интерференционные фильтры для обеспечения λэфф=656.3±10 нм и λэфф=950±10 нм. Модификация пирометра ПД-4-06 отличается более сложной схемой оптического тракта, в которую дополнительно устанавливаются оптические элементы для обеспечения параллельности хода лучей через интерференционный фильтр.
Основные технические характеристики пирометров ПД-4-03, ПД-4-04:
Исполнение пирометра | Диапазон измерений, °C | Эффективная длина волны, нм |
ПД-4-03 | 1200-2500 | 656.3±10 |
ПД-4-04 | 1000-2300 | 950±10 |
Основная приведенная погрешность: 0.25%
Разрешающая способность: 0.01°C*
Показатель визирования 1:300
Температура окружающей среды 20±5°C
Коррекция 0.1-1.5,
излучательной способности шаг 0.001
Габариты (без визирного устройства) Æ68,L=450мм
Основные технические характеристики пирометров ПД-4-01, ПД-4-02, ПД-4-05:
Исполнение пирометра | Диапазон измерений, °C | Эффективная длина волны, нм |
ПД-4-01 | 1000-2500 | 650±200 |
ПД-4-02 | 800-2300 | 950±200 |
ПД-4-05 | 800-2500 | 1550±200 |
Основная приведенная погрешность: 0.5%
Разрешающая способность: 0.01°C*
Показатель визирования 1:100
Температура окружающей среды 5¸40°C
Коррекция 0.1-1.5,
излучательной способности шаг 0.001
Габариты (без визирного устройства) Æ68,L=400мм
Основные технические характеристики пирометра ПД-4-06:
Исполнение пирометра | Диапазон измерений, °C | Эффективная длина волны, нм |
ПД-4-06 | 1000-2500 | 656.3±10 |
Основная приведенная погрешность: 0.2%
Разрешающая способность: 0.01°C*
Показатель визирования 1:500
Температура окружающей среды 20±5°C
Коррекция 0.1-1.5,
излучательной способности шаг 0.001
Габариты (без визирного устройства) Æ68,L=500мм
*при включении цифрового фильтра
2.5. Портативные пирометры серии ПП-1
Портативные пирометры серии ПП-1 предназначены для бесконтактного измерения температуры поверхности объектов по их собственному тепловому излучению в диапазоне температур от –40 до +2000°C. Пирометры применяются для контроля состояния объектов и технологических процессов в различных отраслях, а также при проведении научных исследований.
Область применения:
- машиностроение;
- металлургия;
- энергетика;
- энергоаудит;
- жилищно-коммунальное хозяйство и др.
Благодаря использованию высококачественной германиевой оптики и специальных инфракрасных фильтров пирометры ПП-1 работают в спектральном диапазоне 8-14 мкм, в котором поглощение ИК-излучения атмосферой минимально. Наведение на объект контроля производится при помощи лазерного целеуказателя. Тепловое излучение объекта преобразуется датчиком в электрический сигнал, который после усиления обрабатывается микропроцессором и пересчитывается в значение температуры на основе калибровочных характеристик и излучательной способности объекта. Это значение температуры выводится на цифровой дисплей и записывается в энергонезависимую память пирометра, а также конвертируется в цифровой выходной сигнал и при помощи прикладного программного обеспечения Piro Visual отображается на дисплее компьютера.
В пирометрах серии ПП-1 предусмотрено:
- лазерный целеуказатель;
- цифровой фильтр;
- десятиразрядный ЖК-дисплей с подсветкой;
- энергонезависимая память на 20 измерений;
- коэффициент коррекции излучательной способности в диапазоне 0.1-1.5 с шагом 0.01;
- подключение внешней термопары типов S, R, B, J, T, E, K, N, A1, A2, A3, L, M;
- определение излучательной способности объекта при подключении внешней термопары;
- связь с ПЭВМ по интерфейсу RS-232 с гальванической развязкой;
- часы;
- измерение напряжения питания прибора;
- контроль температуры корпуса прибора;
- визуальная и звуковая сигнализация выхода параметров за допустимые значения;
- автоматическое отключение через заданное время.
Питание пирометра осуществляется от элемента типа «Крона», возможно подключение пирометра к внешнему стабилизированному источнику постоянного тока 9 В, 50 мА.
Основные технические характеристики пирометров ПП-1:
Конструктивное исполнение | Диапазон измеряемых температур, ° С | Предел допускаемой основной абсолютной и приведенной погрешности |
ПП-1-01 | -20...400 | 4°С |
ПП-1-02 | 100...1200 | 4°С в диапазоне температур от 100 до 400°С 1% в диапазоне от 400 до 1200°С |
ПП-1-03 | 400...2000 | 1% |
ПП-1-04 | -40...2000 | 4°С в диапазоне температур от -20 до 400°С 1% в диапазоне от 400 до 2000°С |
Разрешающая способность: 0.1°C
Показатель визирования 1:50
Спектральная чувствительность 8-14 мкм
Время установления показаний 1 сек
Температура окружающей среды 5-50°C
Коэффициент коррекции
излучательной способности 0.1-1.5, шаг 0.01
Габариты 60х100х140 мм
2.6. Пирометрический преобразователь СТ-1
Большой популярностью в 70-х годах прошлого столетия пользовался пирометрический преобразователь суммарного излучения типа ТЕРА. Эти приборы широко использовались как промышленное средство дистанционного измерения температуры в автоматических системах регулирования технологических процессов в цветной металлургии, химической промышленности. Несмотря на простоту и дешевизну этих преобразователей, объясняющих их популярность, они обладают такими очевидными недостатками как наличие объектива диаметром
- Питание, В 30±0.5
- Выходные сигналы:
аналоговый линейный, мА 0-5
- Потребляемая мощность, Вт, не более 10