Практика 4. Пирометры излучения

Верхний предел для применения контактных методов измерения температуры ограничивается значениями до 2200^оС. Для измерения более высоких температур используют бесконтактные пирометры излучения. Нагретое тело значительную долю тепловой энергии излучает в виде потока световых и тепловых лучей с разной длиной волны. Следовательно, измеряя яркость излучения, можно определить температуру измеряемой среды.

Пирометры излучения по принципу действия разделяются на оптические, радиационные и пирометры спектрального отношения.

Оптический пирометр служит измерителем одноцветного (монохроматического) излучения.

Монохроматические пирометры воспринимают излучение в узком диапазоне длин волн в красной части спектра. Этот участок спектра выделяется светофильтром. Наиболее распространены визуальные пирометры с исчезающей нитью накала. В пирометре использован принцип уравнивания яркости объекта с яркостью нити накала пирометрической лампы. Яркость нити изменяется наблюдателем, равенство яркостей воспринимается визуально как исчезновение нити накала на фоне контролируемого объекта.

Схема оптического пирометра с исчезающей нитью накала изображена на рис. 1.18.

С помощью объектива изображение источника излучения совмещают в одной плоскости с изображением нити лампы 3. Перемещая окуляр 5, получают резкое изображение источника излучения и нити накала. Яркость накала нити регулируется реостатом. Шкала показывающего прибора 6 градуируется в градусах. Поглощающее стекло 2 устанавливается при измерении температур выше 1400^оС. Это стекло ослабляет излучение от объекта измерения. Его применение необходимо ввиду того, что при более высоких температурах происходит испарение вольфрама с поверхности нити накаливания, что вызывает изменение первоначальной градуировочной характеристики прибора и снижение срока службы лампы. Например, при измерении температур в диапазоне 1400 - 2000^оС устанавливается поглощающее стекло такой оптической плотности, чтобы при яркостной температуре объекта 2000^оС, яркостная температура его изображения не превышала 1400^оС. Каждой оптической плотности поглощающего стекла соответствует своя температурная шкала вольтметра. Шкала пирометра без поглощающего стекла называется основной. Относительная погрешность прибора составляет не менее 3%.

1 – объектив; 2 – серое стекло; 3 – пирометрическая лампа; 4 – красный светофильтр; 5 – окуляр; 6 – показывающий прибор; 7 – реостат; 8 - источник тока

Рисунок 1.18 – Оптический пирометр

Наиболее современным оптическим пирометром является визуальный пирометр «Проминь-М». Изображенный на рис. 1.19 вид “а” нити накала ламп соответствует величине измеряемой температуры.

Рисунок 1.19 – Вид нити в процессе измерения температуры: а – совпадение яркости нити и тела, температура которого измеряется; б – температура нити выше температуры тела; в – температура нити ниже температуры тела

Оптический пирометр типа ОППИР-017, представленный на рис. 1.20, позволяет измерять температуру от 800 до 3000^оС.

Рисунок 1.20 – Оптический пирометр ОППИР-017 в комплекте с аккумуляторной батареей

При применении оптических пирометров следует иметь в виду, что существует целый ряд факторов, увеличивающих погрешность измерения:

1) Яркостная температура нагретого тела в значительной степени зависит от состояния его поверхности (шероховатости, наличия плёнки окислов и т.п.);

2) Оптическая плотность поглощающего стекла зависит от его температуры. Эта зависимость различная для разных марок стекла;

3) Яркость нагретого тела может существенно повысится за счёт отражения его поверхностью посторонних источников света;

4) Наличие дыма, пыли, загрязнение поверхностей объектива, поглощающего стекла, светофильтров, защитных стёкол и т.п. может существенно снизить яркость нагретого тела.

Вследствие этих факторов, суммарная погрешность измерения температуры бесконтактным методом может достигать 10 – 20% и более.

Пирометры полного и частичного излучения или радиационные пирометры (рис. 1.21) применяются для измерения температуры от 30 до 2500^оС. Чувствительным элементом является термобатарея или термосопротивление. При помощи термобатареи энергия, излучаемая поверхностью нагретого тела, преобразуется в термоэлектродвижущую силу (ТЭДС), по значению которой судят о температуре тела.

1 – объектив; 2 – диафрагма; 3 – цветное (дымчатое) стекло; 4 – окуляр; 5 – термобатарея; 6 – милливольтметр

Рисунок 1.21 – Радиационный пирометр ППТ

Термобатарея (рис. 1.22) радиационного пирометра состоит из миниатюрных термопар, которые соединены последовательно. Горячие спаи термопар сведены в центр термобатареи. Свободные концы термопар поддерживаются при постоянной температуре. Приведённая погрешность приборов 2 – 2,5%.

Рисунок 1.22 – Конструкция термобатареи радиационного пирометра

Пирометры, воспринимающие излучение в ограниченном диапазоне длин волн называются пирометрами частичного излучения (ПЧД), они применяются для приблизительного измерения температур от 450 до 2500^оС, приведённая погрешность от 1,0 до 2,5%.

Переносные и стационарные микропроцессорные пирометры серии «Смотрич» обладают повышенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Они предназначены для измерения температур в диапазоне от –35 до 1100^оС. Приведённая погрешность от 1,0 до 2,5%. Переносные пирометры имеют цифровую индикацию на корпусе прибора и специальные устройства наведения. Чувствительным элементом являются фоторезисторы, терморезисторы или термобатарея.