Бесконтактные оптические методы измерений температуры

Бесконтактные методы основаны на законах теплового излучения [9] и имеют ряд преимуществ. Они не требуют введения датчика в контролируемую среду, поэтому измеряемая температура не влияет на свойства термометра, который не разрушается в агрессивной среде. Кроме того, оптические методы характеризуются очень малой тепловой инерционностью, достигающей тысячных долей секунды.

В основе бесконтактных методов лежит температурная зависимость излучения абсолютно черного тела.

Оптические пирометры делятся по естественной входной величине датчика на радиационные, воспринимающие полную энергию излучения, яркостные, воспринимающие энергию излучения в какой-либо узкой области спектра, и цветовые, основанные на измерении отношения интенсивностей излучения в двух различных точках области спектра.

Радиационные пирометры используются для измерения температур от 20 до 2500 ° С.Температура, измеренная радиационным пирометром, Q_р всегда меньше истинной температуры тела Θ, поскольку полная энергия излучения абсолютно черного тела (поверхность такого тела абсолютно не отражает потока радиации) всегда больше энергии излучения реальных тел, равной R = ε σ Q⁴, где ε – коэффициент неполноты (чернота) излучения, зависящий от состояния поверхности тела и лежащий для различных материалов в пределах 0, 04 1, 0, а
s = 5, 6697× 10^–2 Дж/(м²× с× К⁴). Связь между Q_р и Q определяется соотношением . Поскольку значения ε различны для разных материалов (для чистого железа ε = 0, 1, а для оксида железа ε = 0, 9), то радиационные пирометры нуждаются в градуировке для тех тел, температуру которых они измеряют.

Устройство датчика радиационного пирометра ИАТ изображено на рис. 2.52. Радиационный поток, отраженный зеркалом 3, расположенным в торце трубы 1, фокусируется на терморезисторе 2 и нагревает его. Для исключения влияния отраженных от стенок трубы лучей внутренняя поверхность трубы покрыта зачерненными ребрами 5, а терморезистор защищен со всех сторон, кроме основной, тепловым экраном 4. Пирометр используется для измерения температур от 20 до 100° С. При измерении более высоких температур (до 2500° С) для фокусировки радиационного потока применяются стеклянные или кварцевые линзы, а в качестве преобразователя, воспринимающего тепловой поток, – многоэлементные батареи термопар.

Рис. 2.52. Устройство радиационного пирометра

Расстояние, с которого может производиться измерение, ограничено размерами тела, ибо при большом расстоянии будет измеряться средняя температура всех предметов, находящихся в «поле зрения» датчика, которая может существенно отличаться от температуры объекта измерения. Диаметр «поля зрения» датчика ИАТ с расстояния 600 мм составляет 160 мм. Поэтому им можно измерять температуру только таких тел, которые полностью перекрывают это «поле зрения».

Яркостные пирометры основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя. Спектральная плотность излучения реального тела в видимой части спектра определяется выражением где ε _λ – относительная лучеиспускательная способность тела в данном участке спектра (0 < ε _λ < 1). Сравнивая яркости двух объектов по спектральным плотностям излучения, можно измерить интересующую нас температуру. Яркостные пирометры также обладают погрешностью от неполноты излучения – измеряемая ими температура Q_λ отличается от истинной Θ. Связь между ними определяется выражением
1/Q_λ = 1/Θ – (λ / С ₂) ln ε _λ , где e_λ – коэффициент неполноты излучения для данной длины волны λ. При λ = 0, 6 –0, 7 мкм значение ε _λ для различных материалов изменяется от 0, 03 до 0, 7 и зависит от состояния поверхности тела. Несмотря на широкий диапазон изменения коэффициента неполноты излучения ε _λ , его влияние на температуру составляет 15 – 25 %, что можно учесть градуировкой прибора в рабочих условиях.

Существенным достоинством яркостных пирометров является независимость их показаний от расстояния до излучающей поверхности и ее размеров.

В качестве образцового источника яркости используются лампы с плоской вольфрамовой нитью. После старения при температуре 2000° С в течение 100 ч излучение лампы становится стабильным, если ее температура не превосходит 1500° С. Изменение яркости лампы осуществляется либо регулировкой тока, либо введением нейтрального светофильтра переменной плотности (оптического клина). В первом случае шкала прибора получается резко нелинейной, так как яркость нити пропорциональна пятой степени тока накала. Во втором случае угол поворота клина линейно связан с регулируемой яркостью.

Устройство датчика яркостного пирометра показано на рис. 2.53. Датчик представляет собой телескоп с объективом 2 и окуляром 6. Для ограничения полосы частот перед окуляром размещен красный светофильтр 5. Экспериментатор наблюдает исследуемый объект (тело) 1 через окуляр, ослабляя его яркость оптическим клином 4, и сравнивает интенсивности излучения измеряемого тела и образцового источника. Измеряемая температура определяется по шкале оптического клина в момент уравнивания яркостей. Прибор имеет два предела измерения: при более высоких температурах последовательно с оптическим клином вводится нейтральный светофильтр 3, позволяющий расширить пределы измерения яркости вдвое. Сравнение яркостей производится по наблюдению нити образцового излучателя на фоне исследуемого тела. Если яркость тела больше яркости образцового излучателя, то нить накаливания видна в виде черной нити на ярком фоне. В противном случае заметно свечение нити на более бледном фоне исследуемого тела. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такие пирометры часто называются пирометрами с исчезающей нитью. Яркостные пирометры обеспечивают высокую точность измерения температуры, так как яркость тела растет гораздо быстрее, чем его температура. Поэтому при измерении яркости с погрешностью в 1 % обеспечивается погрешность измерения температуры не более 0, 1 %.

Рис. 2.53. Устройство яркостного пирометра

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной и синей областях спектра. Температура, измеряемая цветовыми пирометрами, если коэффициенты неполноты излучения для обеих выбранных длин волн совпадает между собой, равна истинной температуре тела. Это одно из решающих преимуществ цветовых пирометров. Кроме того, показание цветовых пирометров принципиально не зависит от расстояния до объекта измерения, а также и от поглощения радиации в среде, заполняющей это расстояние, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн.

Недостатком цветовых пирометров является их относительная сложность. Зависимость спектральной плотности излучения от измеряемой температуры описывается довольно сложным выражением, вытекающим из квантовой теории. Так, если измерение производится на двух длинах волн λ ₁ и λ ₂, то соответствующие им значения энергий определяются соотношениями:

Отсюда искомое значение температуры может быть найдено путем решения уравнения вида

(2.48)

Поэтому непременной составной частью любого цветового пирометра является вычислительное устройство, выполняющее решение приведенного уравнения. При этом в вычислительное устройство должны быть заранее введены как значения λ ₁и λ ₂, так и значения e₁и ε ₂. Если последние будут заданы с какой-то ошибкой, то ошибочным будет и результат вычисления. При измерении температур до 2000–2500° С значения e₁и ε ₂ могут быть определены путем предварительного экспериментального исследования. Однако для температур в сотни тысяч градусов значения коэффициентов неизвестны и не могут быть указаны заранее. В этом случае используется измерение интенсивностей излучения не на двух, а, например, на четырех длинах волн. Располагая данными для составления четырех независимых уравнений, можно потребовать от вычислительного устройства совместного решения этих уравнений для нахождения необходимых коэффициентов, а затем для вычисления по ним искомой температуры.

Для устранения погрешности, обусловленной различием и нестабильностью приемников излучения и усилителей, воспринимающих излучение на каждой из длин волн, цветовые пирометры выполняются по структурной схеме, показанной на рис. 2.54. Воспринимаемое излучение фокусируется объективом 1 на фотоэлементе 3. Перед фотоэлементом располагается диск 2 со светофильтрами, выделяющими два (или четыре) участка спектра. Диск 2 приводится во вращение двигателем 4. В результате этого излучение во всех участках спектра воспринимается и усиливается соответственно одними и теми же фотоэлементом 3 и усилителем Усил., благодаря чему отношение интенсивностей излучения не изменяется от изменения чувствительности канала и погрешности последнего исключаются. Поочередно воспринятые и усиленные интенсивности излучения в каждом из участков спектра поступают на вход вычислительного устройства ВУ. Последнее, воспринимая эти сигналы, поступающие последовательно во времени, производит над ними необходимые математические операции и результат вычислений передает на выходной указатель прибора Ук. Вращение диска 2 со светофильтрами и работа вычислительного устройства ВУ должны быть между собой синхронизированы. В более совершенных приборах этого типа для выделения соответствующих участков спектра используется разложение спектра с помощью дифракционных решеток. При слабых световых потоках вместо фотоэлементов применяются весьма чувствительные фотоумножители.

Рис. 2.54. Устройство цветового пирометра