Принцип действия пирометра.

Оптоэлектронный прибор, с помощью которого осуществляется дистанционное бесконтактное измерение температуры нагретых тел по из собственному тепловому излучению называется оптическим пирометром или просто пирометром..

В зависимости от используемого принципа и метода измерения пирометр может иметь самую различную конструкцию. На рис. 1. приведена упрощенная схема простого яркостного пирометра.

Тепловое излучение от объекта собирается оптической системой (объективом, линзой, оптоволоконным световодом) и через оптический светофильтр (или систему светофильтров), который выделяет из всего спектра теплового излучения один или несколько спектральных диапазонов (пирометрические длины волн). Излучение в выбранном спектральном диапазоне фокусируется на фотоприемник (или нескольких фотоприемниках по числу спектральных диапазонов), который преобразует тепловое излучение объекта в электрический сигнал. Этот сигнал обычно называют пирометрическим сигналом, поскольку именно в результате его последующей обработки определяется численная величина температуры нагретого тела.

Рисунок 1. Устройство яркостного пирометра.

Величина пирометрического сигнала определяется мощностью теплового излучения и свойствами поверхности объекта, оптическими характеристиками окружающей среды, параметрами самого пирометра:

(6)

где:

· интегрирование ведется по интервалу длин волн от l-Dl/2 до l+Dl/2, величина интервала Dl определяется конструкцией пирометра.

· U_N(T) – величина пирометрического сигнала, а N – индекс, показывающий сколько и какого типа спектральных каналов используется в пирометре;

· Т – температура нагретого тела (объекта измерений);

· G – коэффициент, характеризующий долю испускаемого нагретым телом теплового излучения, которая попадает в объектив пирометра. Величина этой доли, т.е. значения коэффициента G, может изменяться при изменении расстояния между пирометром и объектом.

· x(l) – аппаратная функция пирометра, показывающая зависимость спектрально-энергетических характеристик пирометра (спектральной чувствительности) от длины волны излучения;

· e(l,Т) – излучательная способность поверхности объекта, которая является функцией температуры и длины волны;

· t(l,Т) – коэффициента пропускания среды между нагретым телом и пирометром, который тоже есть функция длины волны излучения. В дальнейшем будем полагать, что поглощение в среде мало и может быть учтено соответствующей корректировкой величины e(l,Т);

· М₀(l,Т) –.спектральная плотность мощности излучения АЧТ, которое находится при температуре, равной температуре объекта.

Для того, чтобы вычислить температуру по величине пирометрического сигнала необходимо решить интегральное уравнение. Такое решение чрезвычайно сложно с математической точки зрения и будет содержать большую погрешность даже при точно известных значениях оптических характеристик объекта и пирометра. Поэтому на практике обычно используют некоторые приближенное способы решения , из которых наиболее часто используют следующие:

1. Если оптическая система пирометра вырезает из всего спектра теплового излучения очень узкие диапазоны длин волн, DlÞ 0, то такие пирометры называют монохроматическими. В этом случае можно не учитывать спектральную зависимость коэффициентов и считать их постоянными. Тогда для выбранного спектрального диапазона (спектральной компоненты теплового излучения) уравнение в приближении Вина можно преобразовать к виду:

(7)

где К(l_N) = К_N - полное значение аппаратной функции пирометра (спектральной чувствительности) на выбранной пирометрической длине волны.

e(l_N,Т) = e_N(T) – значение излучательной способности на данной пирометрической длине волны – монохроматическая излучательная способность

2. В противоположном предельном случае – спектральная селекция теплового излучения отсутствует и приемник излучения пирометра воспринимает все тепловое излучение объекта, оптический пирометр называют энергетическим (или пирометром полного излучения). Тогда с учетом закона Стефана-Больцмана можно представить следующим образом:

(8)

где К_S - интегральная энергетическая чувствительность пиромтера

e_S(Т) – величина излучательной спсобности, усредненная по всему спектру теплового излучения – интегральная излучательная способность .

В общем случае пирометр не является монохроматическим, светофильтры его оптической системы выделяют из теплового излучения достаточно широкую область спектра, Dl»10-20 нм и более. Тогда, если учесть, что во многих практически важных случаях значение излучательной способности в интервале Dl изменяется сравнительно мало, то согласно теореме о среднем, (известной из математического анализа, выражение (6) может быть приведено к виду:

(9)

где l_Э – называется эффективной длиной волны оптического пирометра и лежит в интервале длин волн от l-Dl до <l+Dl.

Величина интеграла в правой части (9) есть передаточная функция оптического пирометра (аппаратная функция), которая определяется только техническими характеристиками самого пирометра и не зависит от параметров объекта и является постоянной величиной K_N для данного измерительного канала пирометра. Поэтому в области, где справедливо приближение Вина, связь величины пирометрического сигнала с величиной температуры будет выражаться формулой:

(10)

Таким образом, мы получили общее выражение, связывающее величину пирометрического сигнала с характеристиками теплового излучения объекта и аппаратной функцией пирометра, и три наиболее практически значимых частных решения. Но во всех случаях для нахождения температуры нам необходимо знание аппаратной функции (передаточной функции, спектральной чувствительности) пирометра.

Аппаратная функция оптического пирометра определяется в процессе его калибровки. Калибровка пирометра осуществляется путем измерения зависимости пирометрических сигналов от температуры эталонного теплового излучателя, то есть объекта, излучательные характеристики которого точно известны. Таким излучателем может служить модель АЧТ в виде длинного полого цилиндра (или конуса), нагреваемого электрическим током до температуры порядка 2000 С или помещенная в вакуум полированная пластина, изготовленная из вольфрама, излучательная способность которого хорошо известна. В последнем случае в процессе калибровки все равно происходит пересчет полученных значений характеристики теплового излучения в характеристики АЧТ.

В результате калибровки для каждого из каналов пирометра получается калибровочная таблица, содержащая дискретный ряд (обычно 5-10) значений температуры АЧТ и соответствующих ей значений пирометрических сигналов. Используя различные виды аппроксимации (линейную, экспоненциальную, степенную и др.) на основе этой таблицы может быть построена непрерывная функция, описывающая зависимость пирометрического сигнала U_N от температуры T эталонного излучателя (АЧТ), U_N =f(T).

В простейшем случае этой таблицы полученной аппроксимационной формулы достаточно для того, чтобы определить некую условную температуру нагретого тела. Например, для градуировки шкалы аналогового пирометра или записи в память микропроцессорного прибора. Такой способ будет неплохо работать в случаях, описываемых формулами (10) и (8). Однако, если пирометр не может рассматриваться как монохроматический или энергетический, то простое использование калибровочной таблицы не позволяет корректно учесть значение излучательной способности реальных тел.

Решить эту задачу позволяет дальнейший анализ полученной при калибровке функции U_N=f(T), итогом которого являются значения коэффициентов передачи пирометра K_N по каждому из его каналов и температурная зависимость их эффективных длин волн l_Э=f(T). В результате мы имеем возможность по уровню пирометрического сигнала рассчитать соответствующую мощность излучения реального нагретого тела:

(11)