Почему для работы на пирометре нужен светофильтр
Обновлено: 19.05.2024
К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.
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 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.
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
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.
Похожие страницы:
Лекция по физике (1)
. в этом случае наблюдение (l=660 нм). Применение пирометров обычно связано с металлургией. Производится наблюдение . , деформируемого тела и молекулярного движения, для описания которого оказалось необходимым использование вероятностного .
Уэджвуд, Джозайя
. глиняных изделий через применение разнообразнейших подмесей, разработал . он известен своим (1782 г.) пирометром, основанным на постепенном сокращении . целый городок, названный Этрурия. Литература Описаніе Веджвудова пирометра // Физика. Ч. 1. Санктпетербургъ .
Разработка электронного устройства для бесконтактного измерения температуры плазмы.
. усилителя 46 1.3.5 Выбор и описание микроконтроллера 47 1.3.6 Расчет датчика . и высокой скоростью, ограничивают применение наиболее распространенных в настоящее время . излучению, испускаемому телом. Методами пирометрии в промышленных и лабораторных условиях .
Осмотр места пожара. Методическое пособие
. точки с применением различной сменной оптики: широкоугольной и длиннофокусной. Во всех случаях описанных съемок . два типа приборов: пирометры (бесконтактные темометры) и тепловизоры (сканирующие пирометры). Пирометры. а) Разновидности и марки приборов .
Оптика и атомная физика
. при помощи оптического пирометра………………………………………………….……..38 Лабораторная работа . показатель преломления стекла. ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ Микроскоп с микрометрическим . и измеренному углу дифракции . ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ Приборы и принадлежности: осветитель .
Пирометры и тепловизоры очень эффективно применяются для обнаружения утечек тепла в эксплуатируемых зданиях, либо утечек холода в охладительных системах. Для строителей диагностика с помощью ИК-приборов позволяет выявить дефекты теплоизоляции дома, неразрушающим способом определить качество используемых материалов, и на основе полученных данных устранить утечки, повышая энергоэффективность здания. Учитывая, что на выходе имеем точные и систематизированные данные (значения температуры сохраняются), есть возможность проанализировать ситуацию в целом, определить степень актуальности проблем и решать их по очереди, начиная с более серьёзных.
Незаменимы тепловизоры и пирометры, допустим, если вы решили приобрести дом на вторичном рынке и понятия не имеете, как производилась теплоизоляция ограждающих конструкций . Они очень хорошо проясняют ситуацию с техническим состоянием электроустановок: например, повышенная температура проводника или автомата защиты свидетельствует, что он перегружен, а если разогревается соединение — значит, что в данном месте плохой контакт. Также ИК-приборы помогают выявлять ошибки в реализации тепловой защиты печей, котлов и каминов, показывают тепловую отдачу трасс отопления и места утечек, уровень заполнения емкостей и резервуаров. Термосканерами легко обнаружить переувлажнение элементов здания, повреждения изоляции, колонии заселившихся вредителей.
Итак, главное назначение портативного строительного тепловизора/пирометра — дефектоскопия, энергоаудит ограждающих конструкций и инженерных коммуникаций.
Как работает бесконтактный термодетектор
Все предметы, которые имеют температуру выше, чем абсолютный ноль, излучают инфракрасные волны длиной от 0,74 до 1000 мкм. Об этом в 1800 году заявил английский учёный Уильям Гершель — знаменитый исследователь Солнца. Стало понятно, что особое излучение издаёт не только раскалённый металл или электрические разряды (это видели все), но и тела с низкой температурой, в том числе ниже 0 °С. ИК-лучи испускаются возбужденными ионами, при этом длина волны меняется при разном нагреве объекта (чем поверхность теплее, тем волна короче и поток интенсивнее). Эту энергию человек может воспринимать кожей как тепло, но не видит её.
Понадобилось время, чтобы научиться регистрировать инфракрасные, тепловые лучи, распознавать их и обрабатывать полученную информацию. В 1967 году компанией Wahl Instruments Inc. был разработан первый портативный пирометр.
И пирометр, и тепловизор являются оптико-электронными приборами, которые объективами улавливают невидимое инфракрасное излучение от предметов и в приёмнике преобразуют его в электрический сигнал, а он уже обрабатывается в удобный для восприятия тип индикации (картинка или цифры). Полученное электрическое напряжение пропорционально мощности принятого потока излучения, поэтому есть возможность получать точные цифровые значения температуры даже на тепловых фотографиях.
Тепловизор, подобно цифровой фотокамере, имеет матрицу, но каждый её пиксель показывает не цвет и яркость, а значение температуры в конкретной точке исследуемого объекта. На дисплее пользователь получает растровую картинку, где зоны с различным нагревом отображаются определёнными цветами, поэтому очень быстро можно составить общее впечатление о температурной обстановке в диагностируемой зоне. Принципиально устройство состоит из:
- объектива (изготавливается из германия);
- приёмника ИК-излучения (чаше всего на основе болометра — резистора, меняющего сопротивление в зависимости от мощности действующего потока);
- обрабатывающего блока.
Особенности тепловизоров и пирометров
Чтобы приступить к выбору ИК-детектора, следует ответить на несколько базовых вопросов, которые помогут определиться с типом прибора, а затем уже перейти к рассмотрению конкретных моделей:
- Из какого материала изготовлены объекты, которые вы будете тестировать?
- Какая примерно будет температура диагностируемых областей?
- С какого расстояния будут производиться измерения?
- В какой среде будет работать прибор (окружающие температуры, прозрачность пространства между прибором и объектом. ).
Спектральная чувствительность (спектральный диапазон)
Диапазон измеряемой температуры
Погрешность данных о температуре (точность измерения)
Этот параметр всегда указывают производители пирометра или тепловизора, рассчитывается он в лабораторных условиях на абсолютно чёрных телах и, в первую очередь, зависит от метода обработки информации, однако, реалии (в частности, прозрачность среды и корректность действий пользователя) вносят свои коррективы. Большинство портативных термосканеров обеспечивают погрешность в пределах 2 процентов от полученных результатов.
Скорость измерения
Оптическое разрешение
Чтобы не привязывать пользователя к конкретным расстояниям, применяется изменяемый фокус (zoom), при этом фокусировка может быть ручной, либо автоматической. Также для работы в различных условиях используются сменные объективы.
Порог температурной чувствительности (характеристика NETD)
Показатель термочувствительности тепловизора отображает возможные погрешности при тестировании температуры в двух соседних точках. Это характеристика матрицы, которая определяет, насколько малой может быть регистрируемая разница температуры объекта и его фона. Нормальным показателем считается 0,1 градуса при +30 °С (иногда производители указывают в кельвинах), но многие приборы работают на порядок детальнее, что позволяет очень точно определять не только наличие, но и форму температурной аномалии, а соответственно и причину её возникновения. Так, например, тепловизор Тesto 881 имеет показатель чувствительности в 0,05 градуса.
Автокомпенсация измерений
Система наведения (прицел)
Дисплей дистанционного термосканера
Некоторые тепловизоры оснащаются сенсорным дисплеем, что никак не влияет на технические характеристики прибора.
Дисплей пирометра. В пирометрах на ЖК-экран выводится цифровая или текстовая информация, которая может располагаться в одну, или несколько строк (Ryobi RP4030). Практически все пирометры обладают подсветкой дисплея, что позволяет производить измерения в тёмных помещениях.
Сменные, дополнительные объективы
Условия эксплуатации
Выбирая пирометр или тепловизор, очень важно обратить внимание, при какой температуре окружающей среды прибор может использоваться, и при какой влажности. Производители не утаивают эту информацию, но не путайте с условиями хранения — там более широкий диапазон. Некоторые дешёвые устройства ограничены в этом плане, и рассчитаны для работы внутри помещения (температура от 0 до +40 градусов, влажность до 80%). Более универсальные термосканеры функционируют на улице, при минусовых температурах и влажности до 90%. Сравнивая несколько моделей, взгляните на класс защиты корпуса IP, среднестатистическим является индекс IP54.
Сигнализация
Данная функция позволяет установить максимальный или минимальный показатель температуры, при обнаружении которого автоматически раздаётся звуковой сигнал или срабатывает световая индикация. Так пользователь не пропустит критические перепады температур и вовремя среагирует на проблему (Fluke Ti25).
Бортовая память
Запоминание измерений производится и в пирометрах, и в тепловизорах. Это может быть краткосрочное сохранение свежих данных до следующего измерения, а также запись на встроенные и сменные носители (различные карты памяти). Дорогие тепловизоры могут записывать голосовые комментарии, сохранять данные диагностики как видеосъёмку (в ИК-режиме, или в видимом диапазоне).
Различные режимы отображения информации
Распознавание поверхностной влажности
В ручном режиме вводится влажность и температура воздуха, и прибор сам покажет проблемные участки в тестируемой зоне. Влажность может измеряться и в автоматическом режиме, после присоединения специального радиозонда. В качестве дополнительной функции выступает сигнализация о найденной точке росы.
Связь с ПК
Изображения, полученные в результате исследования, доступны для просмотра непосредственно на дисплее. Однако для анализа и составления отчётов, для использования прибора в качестве самописца — информация направляется на компьютер. Соединение может производиться через аналоговые или дискретные выходы. Наличие разъёма USB считается правилом хорошего тона, например, Optris LaserSight (LS) и другие. Программное обеспечение, как правило, идёт в комплекте поставки и обновляется бесплатно, но иногда его нужно покупать отдельно.
Подсветка рабочей зоны
Многие пирометры и тепловизоры имеют встроенные светодиодные фонари, освещающие объект исследования, поэтому диагностика возможна и при условии плохой видимости.
Эргономика, тип исполнения
Современные тепловизоры и пирометры используются либо стационарно, либо как переносные. Первые применяются на производстве, запитываются от сети и зачастую имеют узкую специализацию, а вторые — более универсальны, отличаются небольшой массой и скромными габаритами.
Промышленные тепловизоры и пирометры облачены в металлический корпус, они хорошо защищены от всевозможных воздействий (пыль, вибрация, влажность, стружка, высокая температура). Как правило, стационарные приборы позволяют получать более точные данные.
Портативные приборы для инфракрасной диагностики могут выглядеть, как фотоаппарат или видеокамера, но чаще всего выполнены в виде пистолета из конструкционной пластмассы, где курок служит для начала тестирования, на торце корпуса расположен контрольный дисплей с кнопками управления меню. Их масса редко превышает 500 г, многие экземпляры легче 200 грамм (ADA TemPro 900 — 170 грамм). Хорошо продуманный аппарат удерживается и управляется одной рукой. Качественные приборы защищены от падения с высоты в 2 метра (Fluke TiR1), по крайней мере, об этом уверенно заявляет производитель.
Варианты питания инфракрасных термосканеров
Выбор подходящих для ваших условий технических и функциональных характеристик, а также удачной комплектации термосканера — безусловно, важная задача, но следует также обратить внимание на метрологическую поддержку со стороны производителя, чтобы результаты энергоаудита (при необходимости) можно было легализовать в соответствующих инстанциях. Прибор должен пройти стандартизацию! Учитывая техническую сложность и высокую стоимость этих измерительных устройств, рекомендуем щепетильно отнестись к вопросам гарантии и сервисного обслуживания.
Стоимость
Пирометр, в отличие от тепловизора, является более простым, и сравнительно недорогим прибором. Модели начального уровня можно приобрести приблизительно за 2500 рублей, например, ADA TemPro 300 с температурным диапазоном от -32 до +350 градусов, или похожий по характеристикам Laserliner ThermoSpot. С расширением диапазона почти пропорционально увеличивается стоимость (ценник на ADA TemPro 1200, способный измерять до 1200 градусов — 9500 тысяч). Другие закономерности ценообразования увидеть сложно — производители действуют на своё усмотрение, предлагая разные наборы дополнительных опций. Заметим, что неплохими техническими и эксплуатационными характеристиками, при умеренной стоимости, обладают устройства от компаний, создающих электроинструмент (DeWalt DCT 414 S1 — 5000, Ryobi RP4030 — 3500, Bosch PTD 1 — около 4500 рублей).
Ориентировочная стоимость проведения энергоаудита (съёмка+отчёт) частного дома специализирующимися организациями составляет от 50 рублей за квадратный метр здания. Как правило, за одноэтажное строение берут не менее 10000. Тепловизор можно взять в аренду, сутки пользования средним по характеристикам прибором обойдутся вам примерно в 2-3 тысячи рублей, естественно, в залог нужно оставить около 20-40 тысяч. Можно немного сэкономить, если арендовать модель попроще и на длительный срок, допустим, с кем-то объединившись.
К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.
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 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.
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
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.
Похожие страницы:
Лекция по физике (1)
. в этом случае наблюдение (l=660 нм). Применение пирометров обычно связано с металлургией. Производится наблюдение . , деформируемого тела и молекулярного движения, для описания которого оказалось необходимым использование вероятностного .
Уэджвуд, Джозайя
. глиняных изделий через применение разнообразнейших подмесей, разработал . он известен своим (1782 г.) пирометром, основанным на постепенном сокращении . целый городок, названный Этрурия. Литература Описаніе Веджвудова пирометра // Физика. Ч. 1. Санктпетербургъ .
Разработка электронного устройства для бесконтактного измерения температуры плазмы.
. усилителя 46 1.3.5 Выбор и описание микроконтроллера 47 1.3.6 Расчет датчика . и высокой скоростью, ограничивают применение наиболее распространенных в настоящее время . излучению, испускаемому телом. Методами пирометрии в промышленных и лабораторных условиях .
Осмотр места пожара. Методическое пособие
. точки с применением различной сменной оптики: широкоугольной и длиннофокусной. Во всех случаях описанных съемок . два типа приборов: пирометры (бесконтактные темометры) и тепловизоры (сканирующие пирометры). Пирометры. а) Разновидности и марки приборов .
Оптика и атомная физика
. при помощи оптического пирометра………………………………………………….……..38 Лабораторная работа . показатель преломления стекла. ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ Микроскоп с микрометрическим . и измеренному углу дифракции . ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ Приборы и принадлежности: осветитель .
Что такое пирометрия?! Методы пирометрии. Классификация пирометров.
Тогда, для профессионалов, которые каждый день сталкиваются с необходимостью измерения температуры различных тел и сред, идеальным решением станет пирометр.
Пирометр – это прибор, который предназначается для измерения температуры практически любого тела бесконтактным методом на расстоянии (чаще всего до трех метров).
Пирометр Bosch PTD-1
Соответственно, пирометрия – это совокупность, или сумма способов и методов получения информации о температуре нагретых тел на расстоянии.
В основе работы пирометра лежит принцип восприятия электромагнитных лучей (энергии), излучаемых любым материальным телом, причем, интенсивность и спектр излучения этой энергии имеет прямую зависимость от температуры этого материального тела.
Стационарный оптический пирометр для промышленного применения Raytek
Вообще, основных методов в пирометрии всего два:
Конечно, с момента их появления, технологии шагнули далеко вперед, поэтому и сами приборы – пирометры усовершенствовались, усложнились, стали более точными, однако, суть методов осталась неизменной. Рассмотрим оба метода более подробно.
1. Радиационный метод пирометрии – основан на зависимости яркости и интенсивности энергетического излучения от температуры материального тела в некотором ограниченном волновом диапазоне – обычно, в инфракрасном. Именно поэтому, приборы использующие такой метод называются инфракрасными пирометрами (или инфракрасными радиометрами или термометрами).
Пирометр инфракрасный TESTO 830-T1
Принцип действия инфракрасного (ИР) пирометра достаточно прост: поскольку существует пропорциональная зависимость между яркостью излучения предмета и его температурой, то измерив яркость и пересчитав её, можно получить достоверное значение температуры. Т.е. основым и главным элементом пирометра, работающего радиационным методом, является специальный датчик, который преобразует яркость тепловой энергии ИР-диапазона в электрический сигнал. Здесь яркость теплового луча фиксируется оптической системой, обрабатывается датчиком. Электрический сигнал с датчика поступает в блок обработки информации, после чего, результат измерения выводится на дисплей.
2. Оптический метод пирометрии – основан на зависимости спектра излучения от температуры минимум в двух диапазонах: диапазоне инфракрасного излучения и диапазоне видимого спектра. Т.е. для данного метода, использован принцип зависимости цвета излучения от температуры объекта.
Например, тела, нагретые до температуры 700-800 °С – обладают темно-оранжевым свечением. Для тел, температура которых составляет около 1000 градусов Цельсия, характерен ярко-оранжевый цвет излучения. Тела, температурой в 2000 °С – испускают ярко-желтое свечение, а температурой 2500 °С – почти белое.
Оптический пирометр с выносным датчиком Raytek
Существуют два основных типа оптических пирометров:
- Цветовой пирометр (по другому - пирометр спектрального отношения или мультиспектральный пирометр) – прибор, который сравнивает энергетические яркости объекта в разных областях спектра. Т.е. в пирометре этого типа используется несколько датчиков (минимум два), которые и измеряют яркость свечения объекта в двух и более частях спектра, после чего, оценивается их соотношение. Мультиспектральные пирометры обладают максимальной точностью в определении температуры объекта, именно поэтому, на сегодняшний день, профессионалы выбирают именно эти оптические пирометры.
В начале 20 века, яркостные пирометры были распространены повсеместно, однако, начиная с середины 60-х годов, ситуация начала меняться. Были выпущены компактные, точные и удобные инфракрасные радиационные пирометры, которые постепенно вытеснили яркостные пирометры с рынка. Сегодня, практически все портативные пирометры – это приборы, работающие по радиационному методу. Это связано в первую очередь с тем, что они стоят дешевле оптических, проще и удобнее в применении, и могут обеспечить достаточно высокую точность измерения. Однако, оптические пирометры, и в частности пирометры спектрально отношения, обладают своими достоинствами.
Рассмотрим достоинства и недостатки приборов различного типа более подробно.
1) Достоинства и недостатки инфракрасных пирометров.
- Достоинства:
Основным достоинством радиационного инфракрасного пирометра является сравнительно простая конструкция, вследствие чего, такой пирометр имеет невысокую стоимость, но высокую надежность и малые размеры. Благодаря использованию только одного приёмника, преобразователя и усилителя (в отличие от оптического пирометра, у которого таких комплектов минимум два), радиационный пирометр ломается реже и стоит дешевле.
Пирометр инфракрасный Condtrol IR-T1
Другим преимуществом инфракрасного пирометра является хорошая разрешающая способность (выше, чем у любого оптического пирометра идентичной ценовой категории). Радиационные пирометры прекрасно измеряют температуру тел, нагретых до 300-400°С и выше. К тому же, приспособлены для работы в необычных условиях и узких спектральных диапазонах, например, при проведении измерения через открытый огонь.
Эксклюзивным преимуществом радиационного пирометра является способность измерения низких температур – до -50°С (пирометры другого типа не способны на это).
Именно эти преимущества и обусловили широкое распространение пирометров этого типа.
- Недостатки:
Существенным недостатком инфракрасных пирометров является зависимость конечного результата измерения от излучательной способности предмета измерения. Что это означает? Возьмем две металлические емкости – одну абсолютно новую (светлую и блестящую), а вторую – сильно окисленную (матовую и темную). Нальем в обе емкости воду и доведем до температуры кипения (100°С), после чего, проведем измерение инфракрасным пирометром. Значение температуры по пирометру, для окисленной емкости будет соответствовать действительности – примерно 95°С, а для новой – нет (будет ниже 50°С). Это можно объяснить тем, что, из-за не одинаковой излучательной способности, при прочих равных условиях и идентичной температуре, разные объекты будут излучать разное количество световой энергии.
На величину излучательной способности, также, оказывает влияние физическое состояние объекта (газ, жидкость или твердое тело), фактура его поверхности (матовая или гладкая), наличие защитных покрытий или пленок, ржавчины, накипи и других естественных образований. Считается, что излучательная способность абсолютно черного объекта равняется единице (1), а зеркала – нулю (0). На практике же коэффициент излучающей способности колеблется от 0,02 до 0,99.
Погрешность, вызванную излучательной способностью, можно компенсирвоать благодаря специальным регуляторам, которые ставятся на современные приборы. Такой регулятор позволяет подстроить пирометр под свойства конкретного исследуемого тела. Регулятор помогает скорректирвоать результаты измерений и добиться высочайшей точности при измерении температуры практически любого объекта.
Регулятор позволяет добавить коэффициент для увеличения точности измерений. Таблица коэффициентов излучения для различных материалов в алфавитном порядке представлена ниже.
Материал поверхности
Коэффициент излучения
Материал поверхности
Коэффициент излучения
Алюминий грубой обработки
Алюминий сильно окисленный
Платина, полируемая пластина
Поверхность, обработанная прессованием углеродом
Полость черного тела
Глинозем, обработка пламенем
Свинец чистый неокисленный
Слой металла, нанесенный на медь гальваническим способом
Железо, грубый слиток
Сталь нержавеющая полированная
Железо, пластина покрытая красной ржавчиной
Сталь нержавеющая 301
Железо, темно-серая поверхность
Каучук, твердая глянцевая пластина
Углерод, не окисленный
Кирпич, огнеупорная глина
Латунь окисленная при 600 o C
Черная краска силиконовая
Черная краска эмаль
Черная краска эпоксидная
Черная оптическая диафрагма
Медная необработанная пластина
Чистое золото высокой полировки
Медно-никелевый сплав полированный
Чугун после плавки
Медь нагретая и покрытая толстым окисным слоем
Чугун, после плавки и тепловой обработки
Но это всё для стандартных материалов. А что же делать, когда необходимо измерить температуру материалов, не приведенных в таблице? Например, если степень окисления старой металлической емкости может различаться, то и коэффициент может быть различным. В таких случаях, необходимо пользоваться специальными таблицами или методиками определения излучательной способности, которые должны идти в комплекте с прибором.
Вторым недостатком инфракрасных пирометров (да-да, мы всё ещё говорим про недостатки) является точность, которая напрямую зависит от расстояния от прибора до объекта измерения. Именно поэтому, специалисты советуют для измерения температуры раскаленных или труднодоступных объектов выбирать пирометры обладающие высоким оптическим разрешением. Ведь, именно благодаря этому параметру, определяется расстояние до объекта, на котором оператор может находиться, не искажая точность измерений.
2) Достоинства и недостатки оптических мультиспектральных пирометров:
Пирометры спектрального отношения, как мы уже говорили, измеряют температуру объекта, путем вычисления значения отношения сигналов с двух и более приемников, работающих в разном диапазоне волн. В теории, такой метод должен был исключить основные проблемы, которые присущи инфракрасным пирометрам. Ведь зависимость качества сигнала от расстояния для обоих датчиков абсолютно одинакова, и поэтому не сказывается на их отношении. Таким образом, точность прибора не зависит ни от расстояния до объекта, ни от его излучательной способности. Но это в теории, а на практике, дело обстоит совсем не так. На практике, по опыту проведенных измерений выяснилось, что даже при оптическом методе определения температуры, излучательная способность, хотя и косвенно, но оказывает влияние на результаты измерений, тем самым приводя к существенным погрешностям (до 10%). Если сложить сюда и другие недостатки оптических пирометров: низкая надежность, высокая стоимость и др., то становится понятно, почему инфракрасные радиационные приборы пользуются большим спросом.
Пирометр цифровой мультиспектральный Raytek Raynger-3i
Таким образом, современный оптический пирометр: наиболее точный, но, в то же время, более дорогой и менее удобный.
Помимо классификации по принципу действия, пирометры можно разделить по следующим признакам:
1. В зависимости от температурного диапазона:
- Высокотемпературные – для сильно нагретых объектов.
- Низкотемпературные – для объектов даже с минусовой температурой
2. В зависимости от исполнения
- Переносные – в основном это радиационные пирометры,
- Стационарные – используются в промышленности для непрерывного контроля производственного процесса.
3. По способу визуализации результатов измерения
- Текстово-цифровые – температура показывается в градусах.
- Графические – на картинке выделяются различными цветами области высоких, средних и низких температур. Объект представлен в спектральном разложении. Приборы такого типа называют тепловизорами.
В качестве заключения, необходимо упомянуть о том, что пирометр – это высокоточный измерительный прибор, который предназначен для бесконтактного измерения температуры. И хотя пирометры не ли шены недостатков, но они помогают специалистам в их ежедневной работе. Наибольшее распространение инфракрасные пирометры получили неслучайно. Они используются в промышленности и в быту, они доступны по деньгам, надежны, просты в эксплуатации и способны обеспечить более чем приемлемую точность при замерах температуры.
Читайте также: