Пирометры излучения

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 называются контакт­ными. Верхний предел применения контактных методов ограничивается значениями 1800—2200 °С. Однако в ряде случаев в промышленности и при исследованиях возникает необходи­мость измерять более высокие темпе­ратуры. Кроме того, часто недопустим 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. Все физические тела, температура кото­рых превышает абсолютный нуль, испускают тепловые лучи. Средства измерения, определяющие температуру тел по их теп­ловому излучению, называют пирометрами излучения или просто пирометрами. Серийно выпускаемые пирометры применяются для измере­ния температур от 20 до 6000 °С.

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 каких-либо условий могут быть использова­ны и контактные и бесконтактные ме­тоды измерения, то, как правило, пред­почтение следует отдать контактным, так как они позволяют обеспечить бо­лее высокую точность измерения.

Тепловое излучение представляет собой электромагнитное из­лучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии (в отличие, например, от люминесценции, которая возбуждается внешними источниками энергии).

Ввиду того, что интенсивность теплового излучения резко убы­вает с уменьшением температуры тел, пирометры используются, в основном, для измерения температуры от 300 до 6000°С и выше. Для измерения температур выше 3000 °С методы пирометрии яв­ляются практически единственными, так как они бесконтактны, т. е. не требуют непосредственного контакта датчика прибора с объектом измерения. Теоретически верхний предел измерения тем­пературы пирометрами излучения неограничен.

Следует также отметить, что бесконтактные методы измере­ния обладают тем положительным свойством, что при использо­вании их не искажается температурное поле объекта измерения. В то же время для тех интервалов температур, где могут при­меняться и контактные методы, последним отдается предпочтение из-за их более высокой точности.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т.е. излучает волны всех длин λ в диапазоне от 0 до ∞. Видимое глазом человека излучение, называемое светом, охватывает диапазон длин волн 0, 40—0, 75 мкм. Невидимые лучи охватывают инфракрасный участок спектра, т. е. диапазон от λ =0, 75 до, λ ≈ 400 мкм, за которым следует постепенный переход в радиоволновой диапазон. Лучи с λ < 0, 40 мкм также невидимы и относятся к ультрафиолетовому диапазону, за которым следу­ют рентгеновские и гамма-лучи.

Для измерения яркостной температуры тел используются оп­тические (квазимонохроматические) визуальные пирометры, а также фотоэлектрические пирометры.

Оптические пирометры.

Оптические пирометры широко применяются в лабораторных и производственных условиях для измерения температур выше 800°С. Принцип действия оптических пирометров основан на сравнении спектральной яркости тела со спектральной яркостью градуирован­ного источника излучения. В качестве чувствительного элемента, определяющего совпадение спектральных яркостей в визуальных оптических пирометрах, служит глаз человека.

Фотоэлектрические пирометры.

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

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

Фотоэлектрические пирометры второго типа более сложны, но более точны, так как их показания не зависят от характеристик чувствительного элемента и электронной схемы.

Пирометры спектрального отношения.

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

Существует несколько модификаций двух- и одноканальных цветовых пирометров. В двухканальных пирометрах измерительные сигналы, соответствующие каждой длине волны излучения, передаются одновременно по двум независимым каналам, и из со­отношения величин данных сигналов определяется мгновенная цве­товая температура объекта. В пирометрах с одноканальной схемой измерения два различ­ных монохрометрических потока с помощью оптического коммута­тора поочередно подаются на один фотоэлектрический приемник.

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

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

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

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

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

Измерение температуры радиационными пирометрами основано на улавливании теплового излучения и концентрировании его на термочувствительном элементе с помощью собирательной линзы (рефракторные приборы) или вогнутых зеркал (рефлекторные при­боры).

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