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.

Однако, благодаря современным цифровым технологиям, появились приборы, обладающие особыми алгоритмами расчета корректирующего сигнала для оптических пирометров. В таких «улучшенных» пирометрах погрешность составляет всего 1% для температур от 600 до 2400°С, что очень хорошо. Стоимость же таких приборов в разы больше чем обычных приборов без коррекции.

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 лишены 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.

Оптический пирометр

Змерение температуры с помощью пирометров излучения

Цель работы: ознакомление с устройством и работой пирометров излучения.

ОПИСАНИЕ ПИРОМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

При высокой температуре любое нагретое тело значительную долю тепловой энергии излучает в виде потока световых и тепловых лучей. Чем выше температура нагретого тела, тем больше интенсивность излучения. Тело, нагретое приблизительно до 600°С, излучает невидимые инфракрасные тепловые лучи. Дальнейшее увеличение температуры приводит к появлению в спектре излучения видимых световых лучей. По мере повышения температуры цвет меняется: красный цвет переходит в желтый и белый, представляющий собой смесь излучений разной длины волны.

Способность к излучению различна у разных поверхностей. Наибольшей лучеиспускательной и лучепоглощающей способностью обладает так называемое абсолютно черное тело. Реально существующие в природе тела не обладают свойствами абсолютно черного тела, но могут иметь близкие к нему свойства. Например, лучеиспускательная способность графита в порошке составляет 95% по отношению к излучательной способности абсолютно черного тела.

 

Энергия излучения неравномерно распределяется между колебаниями с равной длиной волны. Чем выше температура, тем большая доля энергии приходится на излучение с меньшей длиной волны. Например, в солнечном свете значительную долю составляет ультрафиолетовое излучение с малой длиной волны. Яркость излучения однозначно зависит от температуры, следовательно, измеряя яркость, можно определить температуру. Существующие приборы для измерения температуры по интенсивности излучения градуируют по излучению искусственного абсолютно черного тела. Поэтому при практических измерениях они заведомо имеют некоторую погрешность. Особенностью пирометров излучения является то, что измерение температуры производится без непосредственного контакта прибора с объектом измерения, что позволяет контролировать температуру сильно нагретых тел, а также движущихся объектов.

По принципу действия пирометры излучения разделяют на оптические и радиационные.

ОПТИЧЕСКИЙ ПИРОМЕТР 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.

Рис.1

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

                ( 1 )

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.

ЦВЕТОВЫЕ ПИРОМЕТРЫ

Действие этих пирометров основано на том, что с изменением температуры меняется цвет накаленного тела. При этом, если выделить в спектре излучения накаленного тела два монохроматических излучения с длинами волн и  (соответствующих, например, красному и синему свету), то с изменением цвета будет меняться соотношение яркостей этих излучений.

Для абсолютно черного тела отношение монохроматических яркостей излучений длин волн и  будет

или

                 ( 2 )

Обозначения те же, что и в формуле (1).

Для нечерного тела, обладающего в длинах волн и  неодинаковыми коэффициентами излучательной способности и  отношение яркостей будет

                   ( 3 )

Многие металлы (сталь, чугун, алюминий, платина и др.), имеют практически одинаковый коэффициент излучательной способности во всем спектре видимого излечения. Тела, обладающие этим свойством называют "серыми" телами. Для "серого" тела  =  и Р = Ру, т.е. соотношение монохроматических яркостей при данной температуре Т такое же, как у абсолютно черного тела.

Как видно из формул (2) и (3) отношение монохроматических яркостей для двух заданных длин волн является однозначной функцией абсолютной температуры тела Т. В цветовых пирометрах измерение температуры осуществляется по величине отношения монохроматических яркостей накаленного тела в красной и синей областях спектра. Принципиальная схема цветового пирометра ЦЭП-2М представлена на рис.2.

Рис.2.

Излучение объекта измерения через защитное стекло (1) и объектив (2) падает на фотоэлемент (4). Между объективом и фотоэлементом установлен вращающийся диск (обтюратор)(3), в который вставлены два светофильтра – красный и синий. Благодаря этому фотоэлемент попеременно освещается красным и синим светом и выдает поочередно импульсы тока, пропорциональные монохроматическим яркостям красного и синего излучений накаленного тела. Эти импульсы усиливаются усилителем (5) и преобразуются специальным электронным логарифмирующим устройством (6) в постоянный ток, сила которого пропорциональна величине lnR, т.е. линейно зависит от обратной величины абсолютной температуры тела . Выходной ток логарифмирующего устройства измеряется и регистрируется показывающим и регистрирующим магнитоэлектрическим гальванометром (7), шкала и диаграмма которого градуированы в град. Прибор градуируется по абсолютно черному телу, поэтому его показания соответствуют истинной температуре абсолютно черного тела, а также "серых" тел.

Диапазон измерения пирометра ЦЭП-2М от 1400 до 2500°С. Этот диапазон разбит на несколько поддиапазонов. Переход от одного поддиапазона к другому производится с помощью специальных добавочных светофильтров.

В отличие от пирометров с исчезающей нитью на показания цветового пирометра практически не влияют изменения коэффициента излучающей способности тела, обусловленные изменением его температуры, состояния поверхности, состава и другими причинами, а также не влияет ослабление излучения не вполне прозрачной атмосферой между объектом и датчиком. Благодаря этому цветовой пирометр обеспечивает высокую точность измерения: основная погрешность при измерении температуры "серых" тел не превышает ±1% верхнего предела измерения для данного поддиапазона. Пирометр ЦЭП-2М предназначен для не непрерывного измерения и регистрации температуры в металлургической промышленности и может также быть использован в системах автоматического регулирования производственных процессов.

РАДИАЦИОННЫЕ ПИРОМЕТРЫ

В отличие от оптических пирометров с исчезающей нитью и цветовых пирометров, в радиационных пирометрах используется тепловое действие полного излучения нагретого тела, включая как видимое, так и не видимое излучение. В связи с этим радиационные пирометры называются также пирометрами полного излучения. В качестве чувствительного элемента в радиационных пирометрах используется термобатарея из нескольких миниатюрных последовательно соединенных термопар 2 (рис.3), рабочие спаи которых нагреваются излучением объекта измерения (1), фокусируемых с помощью оптической системы (3). Возникающая Т.Э.Д.С. измеряется с помощью милливольтметра или автоматического потенциометра (4), градуированного в градусах.

Рис.3

Зависимость между полной энергией излучения абсолютно черного тела и его температурой выражается уравнением

                 ( 4 )

где, ET - полная энергия излучаемая телом при абсолютной температуре Т за одну секунду с поверхности площадью 1 см2;

- коэффициент пропорциональности равный 5,75 вт/см2 град.4

Для тел, не являющихся абсолютно черными,

               ( 5 )

где,  - коэффициент излучающей способности, определенный для полного излучения тела.

Радиационные пирометры градуируются по абсолютно черному телу и показывают так называемую "радиационную" температуру. Связь между истинной температурой тела и его радиационной температурой, показываемой прибором, находится из формул (4) и (5).

                  ( 6 )

где, Тр - радиационная температура тела, показываемая радиационным пирометром. Так как <1, то истинная температура больше радиационной. Поправка, которые необходимо вносить в показания радиационного пирометра для определения истинной температуры, могут достигать нескольких сотен градусов, если объект измерения по своим радиационным свойствам значительно отличается от абсолютно черного тела.

Положительной особенностью радиационных пирометров является то, что их можно применять также и для измерения невысоких температур, при которых объект измерения не дает видимого излучения. Возможно также измерение температуры тел, более холодных, чем окружающая среда. В последнем случае термобатарея не нагревается, а охлаждается во время радиационного теплообмена между ней и объектом измерения. В условиях, когда разница температур объекта измерения и окружающей среды невелика, необходимо тщательное термостатирование свободных концов термопар или всего корпуса телескопа пирометра.

В настоящее время радиационные пирометры применяются для измерения температур в диапазоне от -40 до 2500°С. Особенно удобно применение радиационных пирометров для бесконтактного измерения невысоких температур, при которых методы оптической и цветовой пирометрии неприемлемы, например, для измерения невысоких температур движущихся предметов.

Радиационные пирометры, как и цветовые, пригодны для непрерывного измерения и регистрации температуры, а также для применения в системах автоматического регулирования. При измерении температуры тел, близких по излучающей способности к абсолютно черному телу, основная погрешность измерения не превышает 1% верхнего предела измерения. Для обеспечения точности измерения радиационным пирометром необходимо, чтобы изображение объекта, создаваемое объективом на рабочих спаях термопар, полностью покрывало рабочие спаи. Для большинства применяемых типов радиационных пирометров диаметр излучающей поверхности объекта должен быть не менее  расстояния от объектива до излучающей поверхности. При слишком малой излучающей поверхности показания прибора будут заниженными. Источником погрешностей измерения может быть также недостаточная прозрачность среды между телескопом и объектом измерения и загрязнение оптики телескопа. Для защиты пирометров от случайных повреждений различными выбросами газов и раскаленных частиц, например, при измерении температуры в топках котлов применяют так называемые капильные трубки. Калильную трубку изготавливают из огнеупорного материала и помещают в топку котла закрытым концом внутрь. Пламенем топки трубка быстро нагревается, и температура ее становится равной температуре топки. Телескоп радиационного пирометра направляется во внутреннюю полость трубки, выполняющей роль излучателя, и затем в обычном порядке производят измерение температуры.

 

Структурная схема

Компенсационный пирометр

 

В.А. Захаренко, Ю.Н. Кликушин, Пономарёв Д.Б.

            Омский Государственный Технический Университет

                                                                      

         Известно, что пирометрам компенсационного типа, как и любым другим измерительным приборам с уравновешиванием, присуща более высокая стабильность и, следовательно, более высокая точность по сравнению с приборами прямого преобразования.

            В настоящей работе в канал отрицательной обратной связи пирометра предлагается заложить информацию о нелинейности преобразования температуры в выходной сигнал пирометра.

            В этом случае уменьшается не только влияние нестабильностей коэффициентов передачи усиления и преобразования промежуточных звеньев пирометра, но и уменьшается погрешность от неопределённости коэффициента черноты излучающей поверхности объекта контроля, уменьшается также и нелинейность преобразования температуры в выходной сигнал.

            Функциональная схема такого пирометра, например, с фотодиодным приёмником излучения, приведена на рис. 1.

 

                                                                                                         

                      

 

 

            Пирометр содержит фотодиод 1, катод которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 2, а анод – с нулевой шиной и источником напряжения 3, второй вывод которого соединен с одним выводом регулируемого сопротивления 4, второй вывод которого соединен с катодом фотодиода 1 и первым входом дифференциального усилителя 2, второй вход которого соединен с нулевой шиной, а выход усилителя является аналоговым выходом пирометра. Выход дифференциального усилителя 2 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 5, выход которого соединен со входом вычислительного устройства 6, выход которого соединен со входом регулируемого сопротивления 4, которое является элементом отрицательной обратной связи.

            Цифровым выходом пирометра является выход аналого-цифрового преобразователя 5, с которого снимается цифровой код.

            Работа пирометра. При облучении фотодиода 1 лучистым потоком Ф от нагретой поверхности он генерирует ток, преобразующийся в напряжение усилителем 2. При этом поток излучения нагретой поверхности Ф в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорционален температуре нагретой поверхности как:

                                                           ,                                                          (1)

где Т — температура излучающей поверхности, К; σ – постоянная Стефана-Больцмана, (5,6697±0,0029)∙10^-12 Вт/(м²∙К⁴); ε – коэффициент черноты нагретой поверхности; А – площадь нагретой поверхности, м².

Таким образом, фототок I_F, генерируемый фотодиодом, работающим в режиме короткого замыкания фотогальванического включения, будет соответствовать выражению:

                                                                       ,                                                         (2)

            где k_F – коэффициент преобразования фотодиодом лучистого потока в фототок.

Выходное напряжение усилителя 2 подается на вход аналого-цифрового преобразователя 5, в котором преобразуется в цифровой код N, который поступает в вычислительное устройство 6, в котором масштабируется и возводится в четвертую степень, после чего поступает на регулируемое сопротивление 4.

Цифровой код N пропорционален выходному напряжению U_Вых усилителя 2 как:

                                                           ,                                                (3)

            При этом цифровой код N_С, поступающий на регулируемое сопротивление будет пропорционален выходному напряжению U_Вых усилителя 2 как:

                                                           .                                                           (4)

где k_ВУ – коэффициент преобразования вычислительного устройства; k_АЦП – коэффициент преобразования аналого-цифрового преобразователя.

Под действием этого кода регулируемое сопротивление 4 изменяет величину компенсирующего тока I_K, поступающего от источника напряжения 3 на второй вход дифференциального усилителя 2, величина которого будет пропорциональна N_С как:

                                                                       ,                                                       (5)

где k₀ – коэффициент преобразования регулируемого сопротивления.

В результате действия отрицательной обратной связи за счет большого коэффициента усиления дифференциального усилителя 2 фототок фотодиода и компенсирующий ток источника напряжения и регулируемого сопротивления уравновешиваются

                                                                       .                                                                (6)

            Подставив в это равенство значения токов, получим с учетом выражений (1-6):

                                               .                         (7)

Из (7) следует, что на выходе усилителя 2 формируется напряжение, пропорциональное температуре излучающей поверхности и корню четвертой степени из всех коэффициентов, участвующих в преобразовании излучения в электрический сигнал

                                                           .                                      (8)

            При этом, на выходе аналого-цифрового преобразователя формируется цифровой код N, пропорциональный выходному напряжению U_Вых усилителя 2 как:

                                                           .                                            (9)

            Извлечение корня четвертой степени значительно уменьшает значения погрешности зависимости выходного напряжения от измеряемой температуры, связанной с изменениями коэффициента черноты нагретой поверхности ε и других коэффициентов преобразования устройства.

            Таким образом, использование вычислительного устройства позволяет повысить точность измерения температуры нагретых поверхностей за счет операции извлечения корня четвертой степени, что приводит к уменьшению численных значений коэффициента черноты и коэффициентов преобразования в устройстве, точные значения которых заранее неизвестны и могут изменяться в процессе измерений.

Измеряемая величина