П и р о м е т р ы

Все рассмотренные выше термометры для измерения температуры (термометры расширения, термоэлектрические и сопротивления) предусматривают непосредственный контакт между чувствительным элементом термометра и измеряемым телом или средой. Поэтому такие методы измерения температуры иногда называют контактными. Верхняя граница применения контактных методов ограничивается значениями 1800-2200˚ C. Однако в ряде случаев в промышленности и при исследованиях возникает необходимость измерять более высокие температуры. Кроме того, часто недопустимо непосредственный контакт термометра с измеряемым телом или средой. В этих случаях применяются бесконтактные средства измерения температуры, которые измеряют температуру тела или среды по тепловому излучению. Такие средства измерения называются пирометрами. Пирометры, серийно выпускаемых, применяются для измерения температур от 20 до 6000˚ C.

Существует большое количество различных методов измерения температуры тел по излучению, но для измерения высоких температур в реальных технологических процессах применяются следующие типы пирометров: квазимонохроматический, полного излучения и спектрального отношения. В ряде случаев в связи с техническими трудностями реализации метода полного излучения применяются пирометры частичного излучения.

Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости температуры от спектральной энергетической яркости, называется квазимонохроматическим пирометром.

Рис. 4. – Принципиальная схема оптического пирометра

На рис. 4 представлена ​ ​ принципиальная схема квазимонохроматического пирометра с исчезающей нитью. Излучение от объекта измерения 1 проходит через объектив 2 и фокусируется в плоскости 3. В этой же плоскости находится нить пирометрических лампы 4. Изображения объекта измерения и нити пирометрических лампы может быть рассмотрен наблюдателем 6 через окуляр 5. Между нитью пирометрических лампы может вводиться поглощающее стекло 8. Для изменения накала нити применяется реостат 9, который изменяет ток, проходящий через нить пирометрических лампы от источника питания 10. Значение тока измеряется прибором 11, от градуированным в значениях яркостной температуры.

Перед началом измерений проводится настройка оптической системы (объектив - окуляр) таким образом, чтобы изображение объекта измерений и нить пирометрических лампы находились в одной плоскости. Это достигается перемещением объектива. Кроме того, необходимо, чтобы нить пирометрической лампы на изображении объекта измерений была видна наблюдателю ясно, резко. Это достигается перемещением окуляра.

Квазимонохроматический пирометр предусматривает измерение температуры по спектральной энергетической яркости тела, то есть по излучению при определенной длине волны. Для монохроматизации (выделение определенной длины волны) излучения в пирометры устанавливается красный светофильтр. Через красный светофильтр человеческий глаз воспринимает излучение в узком участке спектра с эффективной длиной волны λ _эф = 0, 65мкм. Принципиально в пирометре может быть применен любой светофильтр (синий, зеленый), что выделяет узкую полосу длин волн. Красный светофильтр удобен тем, что имеет резкую границу пропускания вблизи края видимого глазом спектра. Кроме того, если сравнить спектральные энергетические яркости в красном и синем цвете, то при температурах 800-1000°С они различаются на шесть - семь порядков. Поэтому с красным фильтром можно измерять более низкие температуры, а значит можно понизить нижнюю границу измерений пирометра.
Процесс измерения сводится к изменению накала нити пирометрической лампы, пока глаз наблюдателя не перестанет различать нить пирометрических лампы на фоне объекта измерения: нитка «исчезает» на фоне объекта измерения. В этот момент делают отсчет значения температуры, так как спектральная энергетическая яркость реального тела (объекта измерения) и спектральная энергетическая яркость нити пирометрических лампы одинаковы. Пирометр градуируется по излучению абсолютно черного тела, поэтому можно считать, что при «исчезновении» нити пирометрических лампы на фоне объекта измерения наступила равенство спектральной энергетической яркости реального тела и спектральной энергетической яркости абсолютно черного тела. Хотя сама нить пирометрической лампы не является абсолютно черным телом, но в процессе градуировки излучения нити при определенных значениях тока накала сопоставима с излучением абсолютно черного тела при его соответствующих температурах.

Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости от температуры тела отношение спектральной энергетической яркости для двух (или более) фиксированных длин волн, называется пирометром спектрального отношения.

Если взять отношение спектральных энергетических яркостей при двух длинах волн λ ₁ = const и λ ₂ = const, то можно заметить, что это соотношение будет меняться с изменением температуры. Это изменение вызвано тем, что с изменением температуры смещается максимум излучения и соответственно меняется соотношение спектральных энергетических яркостей для двух фиксированных длин волн.
Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости температуры от интегральной энергетической яркости излучения называется пирометром полного излучения.

Пирометр, действие которого основано на зависимости от температуры энергетичес-кой яркости излучения в ограниченном интервале длин волн, называется пирометром час-тичного излучения.

Преимущества и недостатки методов измерения температуры тел по излучению:

1) Все методы измерения не требуют непосредственного контакта с измеряемой средой, они могут измерять температуру на расстоянии бесконтактным способом и потому не искажают температурного поля объекта измерения.

2) Верхняя граница измерения пирометрами излучения не ограничена.

3) Все методы очень чувствительны. Изменение спектральной энергетической яркости в видимой части спектра составляет (10³-10¹⁰) · ∆ Т/Т, а интегральной энергетической яркости - примерно (Δ Т/Т)⁴. Для отношения спектральных энергетических яркостей в видимой части спектра изменение может составлять (10¹-10³) · ∆ Т/Т.

Пирометры излучения могут применяться без ограничений при измерении температуры твёрдых тел и жидких сред, имеющих непрерывный спектр излучения. Эти методы могут быть использованы и для измерения температуры газов, имеющих линейный или полосовой спектр излучения.

Бесконтактные методы измерения теоретически не имеют верхнего предела измерения и возможности их использования определяются соответствием спектров излучения измеряемых тел или сред и спектральных характеристик пирометров. Если для тех или иных условиях могут быть использованы и контактные и бесконтактные методы измерения, то, как правило, предпочтение стоит отдать контактным, так как они позволяют обеспечить более высокую точность измерения.

Бесконтактный инфракрасный измеритель температуры, обладающий малой инерционной способностью, позволяет проводить оперативный контроль, в том числе труднодоступных и вращающихся поверхностей, деталей электрооборудования, находящихся под напряжением. Место и условия применения: поверхности элементов дизелей (крышки картерных лючков, втулки цилиндров, крышки цилиндров, всасывающие и выпускные патрубки, корпуса турбокомпрессоров); турбин (корпуса, подшипники); поршневых компрессоров (клапанные крышки, патрубки подвода-отвода воздуха между ступенями сжатия); генераторов (подшипники); электродвигателей; насосов; теплообменников.

Состояние мотылевых подшипников дизелей определяется измерением температуры крышек картерных лючков. Превышение температуры (на 5-8°С) крышки картерного лючка относительно средней температуры крышек остальных цилиндров свидетельствует о начале перегрева подшипника. Контроль за температурой крышек картерных лючков необходимо всегда проводить после ревизии и ремонта мотылевых подшипников. Аналогичным образом, т.е. путём измерения температуры всасывающих патрубков, определяется пропуск газов через всасывающие клапаны. При доступе к нижней части втулки дизеля (например, двигатель MAN K8Z 70/120) бесконтактный инфракрасный измеритель температуры «Thermopoint 80 SC» или контактные термопары цифрового термометра ТТЦ позволяют контролировать температуру нижней части втулки. Если её температура превышает 65°С, необходимо принимать меры по предотвращению возгорания отложений в подпоршневых полостях.

Состояние подшипников генераторов, электродвигателей, насосов, других вспомогательных механизмов оценивается по температуре, измеренной на корпусе подшипника.