Применение пирометров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Пирометры широко используются в жилищно-коммунальном хозяйстве, производстве строительных материалов, дорожном строительстве, автомобильном и железнодорожном транспорте, стекольной и химической промышленности.

Сфера применения пирометров необычайно широка:

Измерение температуры труднодоступных и недоступных объектов.

Измерение температур горячих и опасных для здоровья человека сред и поверхностей.

Объектов, прямой контакт с которыми может повредить форму объекта, либо измеряемую поверхность.

Температурное сканирование для поиска горячих либо холодных точек.

Мгновенное определение температуры движущихся объектов.

Диагностика и профилактика авто- и ж/д транспорта.

Диагностика тепло- и электрооборудования, облегчение поиска мест утечек теплоносителей.

Электродиагностика и электроаудит.

Противопожарная безопасность.

Для проверки и контроля систем отопления, вентиляции и кондиционирования.

Профилактика и диагностика оборудования в любой промышленности. Контроль за состоянием подшипников вращающихся и трущихся частей.

Преимущества измерения температуры портативными пирометрами очевидны:

Измерения проводятся без прерывания технологического процесса.

Увеличение производительности труда благодаря значительному увеличению скорости измерений.

Измерения проводятся с безопасного расстояния, что значительно снижает травмоопасность.

Простота контроля и регистрации состояния уже выявленных нарушений при невозможности их быстрого устранения.

1. Основные типы оптических пирометров

Пирометры (от греч. pyr - огонь и метр), приборы для измерения температуры непрозрачных тел по их излучению в оптической диапазоне спектра. Тело, температуру которого определяют при помощи пирометра, должно находиться в тепловом равновесии и обладать коэффициентом поглощения, близким к единице.

Распространены яркостные, цветовые и радиационные пирометры. Основным типом является яркостной пирометр, обеспечивающий наибольшую точность измерений температуры в диапазоне 103-104 К. В простейшем визуальном яркостном пирометре с исчезающей нитью объектив фокусирует изображение исследуемого тела на плоскость, в которой расположена нить (ленточка) эталонной лампы накаливания. Через окуляр и красный фильтр, позволяющий выделять узкую спектральную область около длины волны lэ = 0,65 мкм, нить рассматривают на фоне изображения тела и, изменяя ток накала нити, добиваются выравнивания яркостей нити и тела (нить в этот момент становится неразличимой). Шкала прибора, регистрирующего ток накала, прокалибрована обычно в °С или К, и в момент выравнивания яркостей прибор показывает так называемую яркостную температуру (Tb) тела. Истинная температура тела Т определяется на основе законов теплового излучения Кирхгофа и Планка по формуле:

Т = TbC2/(C2 + l эТь Inal,T), (1)

где C2 = 0,014388 м ?К, al, T - коэффициент поглощения тела, l э - эффективная длина волны пирометра.

Точность результата в первую очередь зависит от строгости выполнения условий пирометрия, измерений (al, T " 1 и др.). В связи с этим наблюдаемой поверхности придают форму полости. Основная инструментальная погрешность обусловлена нестабильностью температурной лампы. Заметную погрешность могут вносить также индивидуальные особенности глаза наблюдателя. У фотоэлектрических пирометров этот вид погрешности отсутствует. Погрешность образцовых лабораторных фотоэлектрических пирометров не превышает сотых долей градуса при Т = 1000 °С. Промышленные серийные фотоэлектрические пирометры обладают на порядок большей погрешностью, визуальные - ещё на порядок большей. Образцовые яркостные пирометры приняты в качестве основных интерполяционных приборов, определяющих Международную практическую температурную шкалу (МПТШ-68) при температурах выше точки затвердевания золота (1064,43 °С).

Для измерения температуры тел, у которых a " const в оптическом диапазоне спектра, применяют цветовые пирометры. Этими пирометрами определяют отношение яркостей обычно в синей и красной областях спектра b1(l1, T)/b2(l2, T) (например, для длин волн l1 = 0,48 мкм и l2 = 0,60 мкм). Шкала прибора прокалибрована в °С и показывает цветовую температуру Tc. Истинная температура Т тела определяется по формуле.

Цветовые пирометры менее точны, менее чувствительны и более сложны, чем яркостные; применяются в том же диапазоне температур.

Наиболее чувствительны (но и наименее точны) радиационные пирометры, или пирометры суммарного излучения, регистрирующие полное излучение тела. Действие их основано на Стефана - Больцмана законе излучения и Кирхгофа законе излучения. Объектив радиационных пирометров фокусирует наблюдаемое излучение на приёмник (обычно термостолбик или болометр), сигнал которого регистрируется прибором, прокалиброванным по излучению абсолютно чёрного тела и показывающим радиационную температуру Tr.

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

Обозначения те же, что и в формуле (1).

Для нечерного тела, обладающего в длинах волн и неодинаковыми коэффициентами излучательной способности и отношение яркостей будет

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 где aT - полный коэффициент поглощения тела. Радиационными пирометром можно измерять температуру, начиная с 200°С. В промышленности пирометры широко применяют в системах контроля и управления температурными режимами разнообразных технологических процессов.

Классификация пирометров

Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам:

Спектральный диапазон

Яркостные. Позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путем сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.

Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) -- позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

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).

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 менеерасстояния 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.

Температурный диапазон

Низкотемпературные. Обладают способностью показывать температуры объектов, обладающих даже отрицательными значениями этого параметра. пирометр оптический излучение температура

Высокотемпературные. Оценивают лишь температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным. Обычно имеют сильное смещение в пользу «верхнего» предела измерения

Исполнение

Переносные. Удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима высокая точность измерений, в совокупности с хорошими подвижными свойствами, например для оценки температуры труднодоступных участков трубопроводов. Обычно снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.

Стационарные. Предназначены для более точной оценки температуры объектов. Используются в основном в крупной промышленности, для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков.

Визуализация величин

Текстово-цифровой метод. Измеряемая температура выражается в градусах на цифровом дисплее. Попутно можно видеть дополнительную информацию.

Графический метод. Позволяет видеть наблюдаемый объект в спектральном разложении областей низких, средних и высоких температур, выделенных различными цветами.

Вне зависимости от классификации, пирометры могут снабжаться дополнительными источниками питания, а также средствами передачи информации и связи с компьютером или специализированными устройствами (обычно через шину RS-232).

2. Фотоэлектрические пирометры

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

Оптическая система автоматического фотоэлектрического пирометра: 1 -- источник излучения; 2 -- линзы оптической системы; 3 -- модулятор, попеременно пропускающий излучение источника и эталонной лампы 4 к фотоэлементу 7; 5 -- фильтр с узкой частотной полосой пропускания; 6 -- погнутая линза. Фотоэлемент поочерёдно освещается то источником, то лампой. При неравенстве создаваемых ими освещённостей в цепи фотоэлемента возникает переменная составляющая фототока, амплитуда которой пропорциональна разности освещённостей. При измерениях ток накала лампы регулируют так, чтобы переменная составляющая фототока стала равна нулю.

3. Цветовые пирометры

Другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения -- позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

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

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,

где, - коэффициент излучающей способности, определенный для полного излучения тела.

Принцип действия резонансного метода основан на сравнении измеряемой частоты fx с собственной резонансной частотой fр градуированного колебательного контура или резонатора. Обычно данный метод применяется в диапазонах высоких частот и СВЧ, но может использоваться и в более низком диапазоне. Измерительные приборы, работающие на основе этого метода, называются резонансными частотомерами

колебательная система возбуждается сигналом источника измеряемой частоты u(fx) через входное устройство. Интенсивность колебаний в колебательной системе резко увеличивается в момент резонанса , т.е. при fx= fр. Данный момент фиксируется с помощью индикатора резонанса, связанного с колебательной системой, и значение измеряемой частоты fx считывается с градуированной шкалы механизма настройки.

В качестве колебательной системы на частотах до сотен МГц используются колебательные контуры; на частотах до 1 ГГц -- контуры с распределенными постоянными типа отрезков коаксиальной линии; на частотах, превышающих 1 ГГц, -- объемные резонаторы.

На рис. 10.3 приведена упрощенная структурная схема резонансного частотомера (волномера) с объемным резонатором, включающая волновод 1, по которому поступает энергия измеряемой частоты fx, петлю связи 2, детектор (полупроводниковый диод) 3 с индикатором резонанса. И объемный резонатор 4 и плунжер 5, предназначенный для изменения одного из размеров резонатора и связанный с отсчетной шкалой. Связь резонатора с детектором индуктивная и осуществляется петлей связи 2.

Линейный размер резонатора l в момент настройки в резонанс однозначно связан с длиной волны л возбуждаемых в нем электромагнитных колебаний. Резонанс наступает при длине резонатора l = n л/2, где п = 1,2, 3 и т. д. Поэтому, перемещая плунжер 5 до момента получения первого резонанса, а затем следующего и оценивая по отсчетной шкале разность Ѓўl= l1- l2=л/2, можно определить длину волны л. Здесь l1 и l2 -- показания отсчетной шкалы в момент 1-го и 2-го резонансов. Измеряемая частота fx вычисляется по формуле fx = с/л, где с -- скорость распространения света в вакууме.

Чтобы увеличить точность измерений частоты, необходимо повышать добротность Q резонаторов. С этой целью их внутренние поверхности полируют и серебрят, доводя величину Q до значения (5...10)103. С целью уменьшения сопротивления в месте подвижного контакта плунжера с резонатором применяют системы длинных линий (отрезки линий длиной л /2, л /4).

Резонансные частотомеры (волномеры) имеют простое устройство и достаточно удобны в эксплуатации. Наиболее точные из таких приборов обеспечивают измерение частоты с относительной погрешностью 10-3 ...10-4. Основными источниками погрешностей измерения являются погрешность на­стройки в резонанс, погрешность шкалы и погрешность считывания данных.

Выводы

На основании проведенной работы мы установили типы и классификацию пирометров. Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) -- позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах. Радиационные пирометры градуируются по абсолютно черному телу и показывают так называемую "радиационную" температуру. Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) -- позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах. Фотоэлектрические в приборах различных типов чувствительности элементами служат фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в которых фототок пропорционален энергии излучения волн определенного участка спектра. Цветовые (другие названия: мультиспектральные), спектрального отношения -- позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

Размещено на Allbest.ru