Методы и средства измерения неэлектрических величин

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 поля 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 , 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

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 (Рисунке 3.) 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.

Пирометры спектрального  отношения

Пирометры данного  типа измеряют цветовую температуру  объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется  эффективной длиной волны  , .

На (Рисунке 4.) 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.

Пирометры суммарного излучения

Пирометры суммарного излучения измеряют радиационную температуру  тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан  на использовании закона 
Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0.4¸2.5, а для плавленого кварца 0.4¸4 мкм. Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п.

Наиболее  широко применяются термобатареи (Рисунок  5. а), в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы 4 термопар 2. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам 1, закрепленным на слюдяном кольце 3. Металлические выводы 5 служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры.

Рабочие концы  термопар поглощают падающую энергию  и нагреваются. Свободные концы  находятся вне зоны потока излучения  и имеют температуру корпуса  телескопа. В результате возникновения  перепада температур термобатарея развивает  термо-ЭДС, пропорциональную температуре  рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20±2 ⁰С, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей.

Так, при  температуре корпуса 40 ⁰С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4 ⁰С. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.

На (Рисунке 5. б) показано устройство телескопа ПСИ. Он включает: корпус 1 с диафрагмой 7 ; объектив, имеющий стеклянную или кварцевую линзу 2, устанавливаемую во втулке 13, ввинчиваемой в корпус; блок термобатареи, состоящей из самой термобатареи 3, корпуса 5, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма 6, и контактных винтов 10; компенсационное медное сопротивление 4, шунтирующее термобатарею и обеспечивающее уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляр, включающий линзу 8 и защитное стекло 9. Фланец 11 служит для крепления корпуса к защитной арматуре, обеспечивающей работу пирометра в тяжелых условиях металлургического производства.

Получение стандартной градуировки обеспечивается перемещением диафрагмы 6, зубчатый венец  которой сочленен с зубьями трубки 12.

Диафрагма, устанавливаемая в телескопе, ограничивает телесный угол визирования, что исключает  влияние на показания размеров излучателя и его расстояния от пирометра. При  этом на термобатарею попадает излучение  только с определенного небольшого участка объекта измерения. Размеры  этого участка определяются по показателю визирования, который является отношением наименьшего диаметра излучателя к  расстоянию от объекта измерения  до объектива телескопа. При этом изображение круга, вписанного в  излучатель, полностью перекрывает  отверстие диафрагмы 6, находящейся  перед термобатареей. Телескопы  с показателем визирования более 1/16 являются широкоугольными, а с  показателем, равным или меньшим 1/16, - узкоугольными.

При измерении  температуры в схему пирометра  между телескопом и вторичным  прибором (милливольтметром или потенциометром) включается панель уравнительных и  эквивалентных сопротивлений –  панель взаимозаменяемости телескопов типа ПУЭС. Она обеспечивает постоянную нагрузку телескопа при работе с  одним или двумя вторичными приборами, а также замену телескопа одной  градуировки на телескоп другой градуировки. Защита пирометра от пыли, высокой  температуры, механических воздействий  обеспечивается с помощью специальной  защитной арматуры.

Сопротивление соединительной линии между ПСИ  и потенциометром не должно превышать 200 Ом, а при работе с милливольтметром оно равно 5 Ом.

ПСИ имеют  меньшую точность по сравнению с  другими пирометрами. Методические погрешности измерения температуры  при использовании ПСИ возникают  вследствие значительной ошибки определения  интегральной степени черноты  , из-за неправильной наводки телескопа на излучатель, из-за влияния излучения кладки (измерение температуры металла в печах) и из-за поглощения энергии водяными парам и углекислым газом, содержащихся в слое воздуха, находящегося между излучателем и пирометром. Вследствие последней причины оптимальным считается расстояние 0.8-1.3 м.

Вид материала  линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность  измерения низких температур начиная  с 100 ⁰С, кварцевое стекло используется для температуры 400¸1500 ⁰С, а оптическое стекло для температур 950 ⁰С и выше.

ПСИ измеряют температуру от 100 до 3500 ⁰С. Основная допустимая погрешность технических промышленных пирометров возрастает с увеличением верхнего предела измерения и для температур 1000, 2000 и 
3000 ⁰С составляет соответственно ±12; ±20 и ±35 ⁰С.

 

 

 

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД  ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

В основе люминесцентных методов измерения  температуры лежит температурная  зависимость интенсивности люминесцентного  излучения некоторых люминофоров, которое находит применение в  различных датчиках измерения температуры  и термопокрытиях.

Современные волоконно-оптические датчики  позволяют измерять многие характеристики лабораторных и промышленных объектов, в частности температуру. Не смотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ, использования подобных датчиков на практике:

Безъиндукционность (т.е. неподверженность влиянию электромагнитной индукции); малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная  стойкость и т.д.

1. Датчик на основе теплового  излучения. В качестве устройств  для измерения температуры могут  быть использованы волоконно-оптические  датчики на основе теплового  излучения, сущность которых раскрываемая в частности состоит в следующем. Изучаемое вещество при температуре большей 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает тепловое излучение. Энергия излучения увеличивается по мере повышения температуры, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. Соответственно для определения температуры можно использовать формулу Планка для энергии теплового излучения черного тела на фиксированной длине волны или в диапазоне волн.

Основным преимуществом данного  способа является возможность бесконтактного измерения высоких температур. В  зависимости от диапазона измеряемых температур выбирают световые детекторы  и оптические волокна. Область измерения  температур для волоконно-оптических датчиков излучения находится в  пределах от 400 до 2000 °С. При использовании  оптических волокон, прозрачных для  инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более, можно осуществлять измерение и более низких температур.