книги / Теплотехнические измерения и приборы

границей к первой группе относятся, например, пирометры «Оптиматик» (США).

Ко второй группе относятся фотоэлектрические пирометры, использующие широкие спектральные области излучения. Эффек­ тивные длины волн у фотоэлектрических пирометров этого типа значительно различаются. Яркостные температуры, измеренные фотоэлектрическими пирометрами, со значительно различающимися эффективными длинами волн, характеризуются несравнимыми зна­ чениями. Широкие спектральные интервалы, используемые в фото­ электрических пирометрах, исключают возможность осуществлять их градуировку и поверку с помощью температурных ламп, гра­ дуированных в свете какой-либо определенной длины волны. Поэто­ му фотоэлектрические пирометры второй группы градуируются и поверяются только по модели черного тела.

Переход от яркостных температур, измеренных фотоэлектри­ ческими пирометрами этого типа, к действительной температуре физического тела представляет большие трудности, так как для этого необходимо знать значения коэффициентов излучения для эффективных длин воли, лежащих в различных интервалах длин воли. В настоящее время такие данные о значениях коэффициентов черноты излучения для большинства физических тел отсутствуют, а имеющиеся же данные значений для некоторых длин волн, в частности, для К = 0,65 мкм, далеко недостаточны.

Вследствие вышеизложенных причин фотоэлектрические пиро­ метры второй группы применяются главным образом в тех случаях, когда по условию технологического процесса контроль температуры тел не требует знания действительной температуры. Однако необ­ ходимо отметить, что некоторые типы фотоэлектрических пиромет­ ров этой группы снабжаются графиком поправок, позволяющим осуществлять переход от показаний этих приборов к действительной температуре тела.

Ко второй группе относятся приборы ФЭП е нижним пределом измерения 500°С (с фотоэлементом ЦВ-3), АРС с фотоэлементом СУВ-3 и ряд других.

Для ознакомления с устройством фотоэлектрических пирометров в качестве примера рассмотрим применяемые пирометры ФЭП-4. В пирометрах этого типа с диапазоном измерения яркостной темпе­ ратуры от 800 до 4000°С используется вакуумный сурьмяно-цезие­ вый фотоэлемент типа СЦВ-51, чувствительный к излучению только видимой области спектра. На рис. 7-4-1 представлены кривые спектральной чувствительности сурьмяно-цезиевого фотоэлемента 1 и пропускания красного светофильтра 2.. Из этого графика видно, что фотоэлемент СЦВ-51 в сочетании с красным светофильтром КС-15 реагирует на излучение с длиной волны от 0,60 до 0,72 мкм. При этом эффективная длина волны пирометра в диапазоне измеря­ емых температур остается практически постоянной (0,65 =Ь 0,01 мкм). Вследствие этого температура, показываемая фотоэлектрическим пирометром, как отмечалось выше, будет совпадать с яркостной

температурой, измеренной визуальным оптическим пирометром, в пределах суммы допускаемых основных погрешностей обоих приборов.

В пирометрах ФЭП с диапазоном измерения температуры от 500 до 1100°С применяется кислородно-цезиевый фотоэлемент ЦВ-3, чувствительный к излучению в области длин волн от 0,4 до 1,2 мкм. Эффективная длина волны этих пирометров 0,9—1,1 мкм. Температура, показываемая пирометром этого типа, несколько отличается от яркостной температуры, измеренной оптическим пирометром.

Пирометры ФЭП с фотоэлементом ЦВ-3 снабжаются графиком поправок, позволяющим определять действительную температуру

	тела по показаниям этих приборов.
	Фотоэлектрический			пирометр
	ФЭП-4 (рис. 7-4-2) состоит из следую­
	щих отдельных		блоков:	первичного
	преобразователя		(визирной		головки)
	7, включающего в себя фотоэлемент 2,
	оптическую систему, модулятор све­
	та 3, лампу обратной связи 4 и двух­
	каскадный электронный усилитель 5;
	силового блока 6; феррорезонансного
	стабилизатора напряжения 7; быстро­
	действующего автоматического потен­
Рис. 7-4-1. Кривые спектраль­	циометра 8\	разделительного транс­
ной чувствительности сурьмяно­	форматора 9.		источника		излуче­
цезиевого .фотоэлемента СЦВ-51	Изображение
()) и пропускания красного све­	ния 10 с помощью объектива 11
тофильтра (2).
	создается в плоскости отверстия 12
	в держателе	красного		светофильт­
ра 13, установленного перед фотоэлементом 2.			Неподвижная диа­

фрагма 14, установленная за объективом, обеспечивает постоян­ ство входного угла, а размер отверстия 12 определяет ту часть светового потока, которая создает освещенность катода фотоэлемен­ та. При фокусировке изображение объекта 10, которое рассматри­ вается через визирное устройство, состоящее из окуляра 15и наклон­ ного зеркала 1б, должно полностью перекрывать отверстие 12. В этом случае световой поток, падающий на катод фотоэлемента, зависит только от яркости объекта, а следовательно, и от яркостной температуры его.

Через второе отверстие 17 в держателе красного светофильтра на катод фотоэлемента подается световой поток от лампы 4, питаемой током выходного каскада силового блока 6. С помощью этой лампы в пирометре осуществляется обратная связь по световому потоку.

Перед держателем красного светофильтра, а вместе с тем наперед фотоэлементом установлена заслонка 18 модулятора света 3. С по­ мощью этого устройства световые потоки, падающие на катод фото­ элемента, от объекта и лампы обратной связи модулируются с час­

тотой 50 Гц в противофазе. При неравенстве этих световых потоков в цепи фотоэлемента потечет ток, переменная составляющая которого пропорциональна разности освещенностей катода обоими источни­ ками. Переменная составляющая фототока усиливается электронным усилителем 5, выпрямляется фазовым детектором силового блока 6 и подается на сетки ламп его выходного каскада-усилителя постоян­ ного тока, В общую цепь катодов ламп этого выходного каскада включена последовательно лампа обратной связи. При этом в' цепи этой лампы ток накала будет меняться до тех пор, пока на катоде фотоэлемента не уравняются световые потоки^от источника излу­

чения и лампы. Следует отметить, что световой поток от лампы об­ ратной связи несколько отличается от потока визируемого объекта, однако благодаря большому коэффициенту усиления системы раз­ ность между этими потоками мала. Таким образом, с достаточной точностью можно считать, что сила тока в цепи лампы обратной связи однозначно связана с яркостной температурой визируемого тела. В цепь лампы обратной связи включен постоянный калибро­ ванный резистор R, падение напряжения на котором измеряется быстродействующим автоматическим потенциометром, снабженным шкалой, позволяющей производить отсчет яркостной температуры, выраженной в градусах Цельсия.

Пределы допускаемой основной погрешности показаний пиро­ метров с диапазоном измерения от 800 до 2000°С не превышают

± 1 % верхнего предела измерения. Для двушкальных пирометров с диапазоном измерения 1200—2000°С предел допускаемой основ­

ной погрешности dr20°G, а для второй шкалы с верхним пределом измерений выше 2000° С не превышает =Ь1,5% верхнего предела измерения. Время установления показаний пирометра около 1 с* Порог чувствительности пирометра составляет 0,1% верхнего пре­ дела измерения прибора*

7-5. Пирометры спектрального отношения

Пирометры спектрального отношения или цветовые фотоэлектри­ ческие пирометры применяются для автоматического измерения температуры в металлургической и в других отраслях промышлен­ ности, а также в практике научных исследований.

• )

Рис. 7-5-1. Схемы двухканальных пирометров спектрального отношения.

HT — нагретое тело; О — объектив; П — призма, 3 t и 3 2 — зеркала; ОБ — обтюратор; СД — синхронный двигатель; СФ± и СФ2 — красный и синий светофильтры; Ф, и Ф2 — фотоэлементы; ЭУ — электронный усилитель; ПС — пересчетная схема; ИП — измери­ тельный прибор.

Пирометры спектрального отношения основаны на зависимости от температуры тела отношения спектральных энергетических яркостей в двух участках спектра с определенными значениями эффективных длин волн. В' зависимости от того, используется ли для каждой из спектральных яркостей отдельный приемник (фото­ элемент, фотодиод и т. п.) или обе яркости воздействуют на один и тот же приемник поочередно, пирометр выполняется по двухканаль­ ной или одноканальной схеме.

На рис. 7-5-1 приведены принципиальные схемы двухканальных пирометров спектрального отношения. В схеме пирометра (рис.

7-5-1, а) излучение от нагретого тела после объектива с помощью призмы раздваивается и направляется через светофильтры (напри­ мер, красный и синий) на два фотоэлемента. Сигналы фотоэлементов, усиленные усилителями, подаются на пересчетную схему, выпол­ няющую функции делительного звена; в качестве измерительного прибора может быть использован автоматический потенциометр. В качестве пересчетной схемы можно применить и логарифмический делитель. В этом случае используется то обстоятельство, что лога­ рифм отношения спектральных яркостей пропорционален обратному значению цветовой температуры.

Зависимость логарифма отношения двух спектральных ярко­ стей В0(ХК9 Т) и В0{%с, Т) в участках спектра, характеризуемых соответственно эффективными длинами волн Як и Яс, от обратного значения цветовой температуры Гц на основании формулы (7-2-10) может быть приведена в виде

(7-5-1)

Деление в пересчетной схеме может быть осуществлено включе­ нием в каждый канал логарифмирующих звеньев и вычитанием полученных сигналов. Таким образом, разность сигналов, изме­ ренная потенциометром, будет являться обратным значением из­ меряемой цветовой температуры.

Недостатком рассмотренной схемы пирометра является зависи­ мость характеристик от стабильности преобразующих элементов каждого канала.

Схема двухканального пирометра спектрального отношения (рис. 7-5-1, б) имеет дисковый обтюратор, служащий для модуляции потока лучистой энергии. Наличие в схеме прибора модулятора света позволяет использовать более стабильные усилители перемен­ ного тока, однако нестабильность фотоэлементов и здесь может служить источником погрешностей. Обработка сигналов, поступаю­ щих с фотоэлементов, ведется так же, как и в схеме рис. 7-5-1, а.

В одноканальных пирометрах два различных монохроматиче­ ских потока лучистой энергии подаются попеременно на один фото­ электрический приемник в большинстве случаев с помощью диско­ вого обтюратора (оптического коммутатора), в отверстиях которого расположены соответствующие светофильтры (например, красный и синий). Одноканальный принцип измерения повышает стабиль­ ность характеристик пирометров при снижении требований к по­ стоянству характеристик элементов схемы. Поэтому созданные за последние годы пирометры спектрального отношения в большинстве случаев выполнены по одноканальной схеме.

Из числа новых пирометров, выполненных по одноканалыюй схеме, заслуживает большого внимания пирометр спектрального от­ ношения ПИТ-1, созданный в Институте^металлургии им. А. А. Бай­ кова АН СССР под руководством Д. Я. Свет, для измерения истинной (действительной) температуры.нагретых тел [65], Этот пирометр

является первым в мировой практике автоматическим прибором для измерения действительной температуры стали, чугуна, алюмиминия и других металлов, показания которого не зависят от того, является ли поверхность-металла чистой, либо частично или пол­ ностью покрыта окнсной пленкой.

Пирометр ПИТ-1 основан на .принципиально новом методе по­ лучения информации о лучеиспускательной способности излучаю­ щей поверхности. В основе этого метода, реализованного в пиро­ метре для измерения действительной температуры по отношению спектральных энергетических яркостей В (hi, Т) и В (Xj, Т) при неизменной и изменяющейся лучеиспускательной способности, лежит установленная в [66—68] закономерность между длинами волн теплового излучения (kh Xj) тел и их излучательной способ­ ностью (е*, ву), позволяющая получить информацию об е независимо от температуры в виде инвариантных спектральных распределений:

	m		п
J ( h ,	=		T ) - 2 t P i l n B ( h , T);
	/		i
dj (Xit a,,)		если	ж--*	=2w -
-	Yr =°»		2w
			/	i
Для двух составляющих		n =	m = 1, Pt = Xî и Pj = %), где %}
и h — безразмерные значения длин волн				и Ау-.
Инвариант J	(Аь Я/) позволяет определить в; и Bj непосредственно

по значению спектральных составляющих, если функцию е (Я) ап­ проксимировать полиномом п-й степени. Таким образом, принципи­ ально методическая погрешность за счет изменения лучеиспуска­ тельной способности объекта, температура которого измеряется, может быть исключена. При числе измеряемых спектральных сос­ тавляющих меньше, чем степень аппроксимирующего полинома, минимизация методической погрешности с помощью У (Яг, %j) может быть осуществлена за счет использования априорной информации

О б Bt И B j.

В автоматическом пирометре ПИТ-1 используются всего две спектральные составляющие В (Я15 Т) и В (Я2, Т) с эффективными длинами волн Ях и Я2, выделяемые с помощью вращающегося перед приемником излучения обтюратора с двумя светофильтрами. Ин­ формация об е, извлекаемая в процессе измерения непосредственно • из энергии излучения поверхности, автоматически по найденому

алгоритму вычисляется в виде некоторой функции		F (ви е2),	где
вг и е2 — значения	спектральных коэффициентов	излучения	для
эффективных длин	волн Ях и Я2.

В рассматриваемом пирометре, представляющем собой самокор­ ректирующееся оптикоэлектронное устройство, реализуется ука­ занный выше инвариантный алгоритм в виде

J (A'j, Я2) = (Я2In в2 In -J- A Q) D Q,

где A0 и D0— постоянные коэффициенты.

Для практической реализации метода измерения действитель­ ной температуры в вычислитель поправок электронного блока пирометра ПИТ-1 заранее (при его градуировке) вводится необхо­ димый объем априорной информации о возможных значениях спек­ тральных коэффициентов излучения поверхности, хранящихся в па­ мяти прибора в виде ряда значений температурных поправок, соот­ ветствующих изменению излучательной способности поверхности жидкого металла, например от чисто зеркальной до полностью окисленной.

Схема устройства пирометра действительной температуры. Пиро­ метр ПИТ-1 (рис. 7-5-2) состоит из первичного преобразователя, электронного блока, автоматического потенциометра КСП4 или

Рис. 7-5-2. Схема устройства пирометра действительной температуры ПИТ-1.

HT — нагретое тело; 1 — первичный преобразователь; 2 — объектив; 3 — полупрозрач­

ное зеркало; 4 — зеркало;	5 — обтюратор;	6 и 7 — селективные поглощающие стекла;
8 — электронный блок; 9 — измерительный		преобразователь; 10 — сумматор сигналов;
11 — вычислитель поправок	по измеренным	значениям функции F (еи е2)\ 12 — источ­

ник питания; СД — синхронный двигатель; Ф — фотоэлемент Ф-15; ПУ — предваритель­ ный усилитель; В — визирное устройство; ИСИ — источник стандартного излучения; КСП4 — автоматический потенциометр.

другого типа и стабилизатора напряжения, который на схеме не показан.

В первичном преобразователе в качестве приемника энергии излучения используется фотоэлемент с мультищелочным катодом Ф-15 (или фотодиод). Спектральная чувствительность мультищелочного фотоэлемента удовлетворяет требованиям стабильности по «красно-синему» отношению в течение длительного времени. Вы­ сокая температурная стабильность спектрального отношения фото­ элемента Ф-15 позволяет применять его в пирометрах без специаль­ ного термостатирования [64].

Энергия'излучения нагретого тела, действительная температура которого измеряется, поступает через объектив, полупрозрачное зеркало, обтюратор, вращаемый синхронным двигателем, и погло­ щающие стекла на фотоэлемент. Обтюратор выполнен в виде диска с двумя отверстиями, одно из которых закрыто красным светофиль­ тром, другое — синим. Поэтому на-фотоэлемент при вращении об­ тюратора попеременно попадает излучение красной и синей спек­ тральной яркостей, Сигналы фотоэлемента, пропорциональные

спектральным яркостям и усиленные предварительным усилите­ лем, подаются по кабелю на вход преобразователя электронного блока.

По измеренным значениям функции F (ех, е2) из массива апри­ орной информации в канал вычислителя цветовой температуры Тц, находящегося в преобразователе, с помощью логического устрой­ ства вычислителя поправок синхронно вводится соответствующее значение температурных поправок АТ через каждые 0,02 с. С вы­ хода преобразователя сигналы, пропорциональные Тц и АТ, по­ ступают на вход сумматора. На вход автоматического потенциометра КСП4 с выхода сумматора подается суммарный сигнал цветовой температуры Тпс поправкой АТ. В каждый момент времени вторич­ ный прибор КСП4 пирометра показывает и записывает значение действительной температуры Тд = Тц — АТ.

В процессе работы пирометра правильность градуировки его может'быть проверена по встроенному в первичный преобразова­ тель источнику стандартного излучения ИСИ и при необходимости откорректирована с помощью селективного поглощающего стекла 7.

Первичный преобразователь имеет устройства для охлаждения и для отдува дыма с помощью сжатого воздуха или инертного газа.

Пирометр ПИТ-1 рассчитан на диапазон измерения действитель­ ных температур 800—2000°С. Для контроля действительных тем­ ператур чугуна и стали пирометр имеет диапазон измерения 1350— 1650°С.

Суммарная погрешность измерения действительных температур при изменении коэффициента лучеиспускательной способности излучающей поверхности от 0,3 до 1 не превышает ±1% нормирую­ щего значения.

Угол визирования преобразователя пирометра 1/5—1/б00 в зависи­ мости от диапазона температур. У варианта пирометра для измере­ ния действительной температуры стали минимальный угол визи­ рования не более 1/50.

Пирометр типа ПИТ-1, использующий инфракрасную область спектра, имеет нижний предел измерения температуры 300°С,

7-6. Пирометры полного излучения

Для измерения радиационных температур нагретых тел в про­ мышленных и лабораторных условиях применяют пирометры пол­ ного излучения (радиационные пирометры). Комплект пирометра состоит из первичного преобразователя (телескопа), одного или двух вторичных приборов и вспомогательных устройств.

Действие пирометров полного излучения основано на зависи­ мости от температуры полной энергетической яркости т.ела, описы­ ваемой формулой Стефана— Больцмана (7-2-13). Первичный пре­ образователь пирометра должен быть снабжен теплочувствительным элементом и оптической системой, концентрирующей лучистую энергию тела, на теплочувствительном элементе, степень нагрева

которого, а вместе с тем и выходной сигнал его определяют радиа­ ционную температуру тела.

В качестве теплочувствительного элемента в большинстве слу­ чаев применяют миниатюрную термобатарею из нескольких после­ довательно соединенных термоэлектрических преобразователей (например, хромель-копелевых или др.). Термобатарея в радиацион­ ных пирометрах старых выпусков помещалась в защитную стеклян­ ную колбу. В пирометрах полного излучения, выпускаемых в на­ стоящее время, применяют открытую термобатарею, т. е. без за­ щитной стеклянной колбы, что значительно уменьшает инерцион­ ность первичного преобразователя пирометра.

Для концентрации лучистой энергии, исходящей из источника на теплочувствительный элемент, первичные преобразователи пи­ рометров обычно снабжаются рефракторной оптической системой (собирающей линзой). При небольших мощностях лучистой энергии и, следовательно, невысоких температурах тел'для концентрации энергии применяют рефлекторную оптическую систему (вогнутое зеркало). Применение собирающей линзы или зеркала способствует увеличению потока энергии, попадающего на теплочувствительный элемент приемника, что повышает значение его выходного сигнала. Наибольшее распространение имеют первичные преобразователи (телескопы) с рефракторной оптической системой. Применяемые в настоящее время пирометры полного излучения позволяют из­ мерять температуру в диапазоне от 400 до 3500°С. Столь широкий интервал измеряемых температур обусловливает необходимость изготовлять линзы телескопов из оптических материалов, наиболее прозрачных для лучей тех длин волн, которые преимущественно испускаются нагретыми телами в данном рабочем интервале тем­ ператур. Это особенно важно при измерении относительно невысо­ ких температур, так как в этом случае излучаемая нагретым телом энергия невелика и поэтому необходимо, по возможности без потерь, довести ее до теплочувствительного элемента первичного преобра­ зователя пирометра.

Для преобразователей пирометров с диапазоном измерения тем­ пературы от 400 до 1500°С применяют линзы из стекла марки КИ, а с диапазоном измерения от 900 до 3500°С используют линзы из стекла марки К8.

В качестве вторичных показывающих; самопишущих и регули­ рующих приборов, работающих в комплекте с первичными преоб­ разователями пирометров, используются милливольтметры и ав­ томатические потенциометры типа КСПЗ, КСП4 и др., имеющие соответствующую градуировку. Устройство этих приборов в прин­ ципиальной своей части аналогично устройству рассмотренных выше приборов. Вторичные приборы обычно снабжают шкалой, позволяющей отсчитывать непосредственно радиационную темпе­ ратуру, выраженную в градусах Цельсия.

Предел допустимой основной погрешности пирометров пол­ ного излучения (радиационных пирометров) в области темпе-

ратур от 500 до 2500°С находится в интервале 7,5—30°С (ГОСТ 6923-74).

Для ознакомления с действием и устройством пирометра полного излучения рассмотрим упрощенную схему этого прибора (рис. 7-6-1).

	Пирометр состоит из первичного пре­
	образователя (телескопа) с рефрактор­
	ной оптической системой и измери­
	тельного прибора ИП		(милливольт­
	метра или автоматического потенцио­
	метра). Изображение объекта, темпе­
	ратура которого измеряется, создается
	в телескопе с помощью линзы объек­
	тива 1 в плоскости, лежащей за диа­
	фрагмой 2.	В этой плоскости распо­
	ложена термобатарея «3,		являющаяся
Рис. 7-6-1. Схема устройства	приемником	лучистой	энергии,	а
пирометра полного излучения.	вместе с тем и преобразователем ее
	в термо-э. д. с. Лучи, выходящие			из

различных точек поверхности объекта и попадающие в линзу объектива, концентрируются на рабочей поверхности термобата­ реи, ограниченной отверстием диафрагмы 2. Термо-э. д. с. термо­ батареи, устанавливающаяся в результате воздействия на нее потока лучистой энергии и теплообмена с окружающими деталями, измеряется прибором ИП.

Рис. 7-6-2. Термобатареи преобразова­	Рис. 7-6-3. Способы температурной ком­
теля пирометра полного излучения.	пенсации, применяемые в преобразова­
	телях пирометров полного излучения.

Примеры конструктивного выполнения открытых термобатарей представлены на рис. 7-6-2. Рабочие концы термоэлектрических преобразователей 1 у этих термобатарей расположены по кругу

вцентре слюдяного кольца 3, а свободные их концы закреплены

спомощью тонких металлических пластин 2 на том же слюдяном кольце (рис. 7-6-2, а) или непосредственно с помощью слюдяных колец 3 (рис. 7-6-2, б). Выводы 4 термобатарей соединяются с за­

жимами первичного преобразователя, Рабочая поверхность термо­