4.12.4.2. Фотоелектричні приймачі випромінювання

Спектральна чутливість фотоелектричних приймачів випромінювання неоднакова для різних довжин хвиль і найбільш велика у видимій і ближній інфрачервоній областях спектру. В порівнянні з приймачами повного випромінювання фотоелектричні володіють великою швидкодією і мають протяжніші світлочутливі поверхні.

Такі приймачі можуть бути з внутрішнім фотоефектом (фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори, фоторезистори) і із зовнішнім фотоефектом (фотоелементи із зовнішнім фотоефектом, фотопомножувачі).

Фотодіоди— це структура, в якій при поглинанні фотона утворюється пара електрон - дірка. Виникаюча різниця потенціалів є мірою потоку випромінювання.

Фототранзистори є структурою, базова область якої може опромінюватися світлом. Фототранзистор служить, таким чином, одночасно і підсилювачем фотоструму, тому в порівнянні з фотодіодом він має на порядок велику чутливість, проте менша швидкодія.

Фоторезистори — це напівпровідникові елементи, що міняють свою електропровідність під дією випромінювання. Завдяки великій потужності розсіяння, що допускається, за допомогою фоторезисторів можна комутувати великі струми, достатні для перемикання електромагнітних реле.

Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом виконуються зазвичай у вигляді скляного вакуумованого або газонаповненого балона, усередині якого розміщуються анод і катод у вигляді фоточутливого шару, нанесеного на внутрішню поверхню балона.

При освітленні фотокатода звільняються електрони, і при підключенні анодної напруги від зовнішнього джерела виникає фотострум, пропорційний потоку випромінювання.

Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом володіють високим внутрішнім опором і працюють при великих різницях потенціалів, тому їх вихідні сигнали можна використовувати безпосередньо для управління виконавчими пристроями.

Фотоелектронний помножувач (ФЭУ) — це пристрій, що містить в одному балоні вакуумний фотоелемент і вторинний електронний підсилювач. Потік випромінювання звільняє з фотокатода електрони, які розгоняться в електричному полі і фокусуються на емітери (диноды). При попаданні кожного прискореного електрона на динод звільняється від 5 до 10 нових електронів. Фотопомножувачі можуть мати 9 – 14 динодов і збільшувати загальне число фотоелектронів в 109 разів.

4.12.4.3. Пірометри

Всі пірометри підрозділяються на: пірометри повного випромінювання (пірометри із заломлюючою і такою, що відображає оптичними системами), квазімонохроматичні пірометри (пірометри із зникаючою ниткою і з оптичним клином), пірометри спектрального розподілу (пірометри порівняння і спектрального відношення).

У пірометрах повного випромінювання використовується не меншого 90 % сумарного потоку випромінювання джерела. При вимірюванні температури реального тіла пірометр повного випромінювання показує не дійсну, а так звану радіаційну температуру тіла. При відомому сумарному коефіцієнті чорноти тіла можливий перерахунок з радіаційної температури тіла на його дійсну температуру.

Недоліком пірометрів повного випромінювання є те, що для визначення дійсної температури необхідно знати коефіцієнти чорноти, а точність свідчень пірометра залежить не тільки від стабільності коефіцієнта чорноти, але і від поглинання випромінювання навколишнім середовищем і оптичною системою пірометра. Пірометри повного випромінювання зручно використовувати тому не при вимірюванні дійсної температури, а при вимірюваннях різниць температур в незмінних умовах спостереження.

У пірометрах із заломлюючою оптичною системою (мал. 4.71, а) випромінювання від об'єкту 1 через лінзовий об'єктив 2 і діафрагму 3 поступає на приймач повного випромінювання 4. Для наведення на об'єкт вимірювання служить окуляр 6 з димчастим світлофільтром 5 і діафрагмою 7. Відліковим пристроєм є мілівольтметр 8.

а) б)

Мал. 4.71. Схеми пірометрів повного випромінювання: а – з оптичною системою, що заломлюється; б – з відбивною оптичною системою

У пірометрах з оптичною системою (мал. 4.71, би), що відображає, випромінювання від об'єкту 1 потрапляє на приймач випромінювання 5 після проходження через захисну поліетиленову плівку 2, діафрагму 3 і увігнуте дзеркало 4. Для наведення на об'єкт випромінювання служить зорова труба 6, відлік свідчень проводиться за шкалою милливольтметра 7. Поліетиленова плівка прозора для інфрачервоного випромінювання і служить для захисту оптичної системи пірометра від забруднення і потоків повітря.

Квазімонохроматичні пірометри часткового випромінювання працюють у вузькому діапазоні довжин хвиль. При вимірюванні встановлюється зв'язок між дійсною і яскравістю температурою

У пірометрах із зникаючою ниткою (мал. 4.72, а) в задній фокальній площині об'єктиву 2 розміщується нитка лампи розжарювання 3. Оператор 7 через окуляр 4, діафрагму 5 і фільтр 6 бачить зображення нитки лампи на тлі об'єкту 1. Спостереження ведеться в монохроматичному світлі (зазвичай  = 0,65 мкм), що створюється фільтром з червоного скла. За допомогою реостата силу струму через лампу розжарювання змінюють до тих пір, поки спектральні інтенсивності випромінювання нитки лампи і об'єкту не стануть рівними один одному. У цей момент зображення нитки зникає на тлі об'єкту. Миллиамперметр 8 можна проградуювати в градусах температури.

а) б)

Мал. 4.72. Схеми квазіхроматичних пірометрів (часткового випромінювання): а – із зникаючою ниткою; б – з оптичним клином

Пірометр з оптичним круговим клином (мал. 4.72, би) є модифікацією вищеописаного пірометра. У нім температуру яскравості нитки лампи розжарювання 3 підтримують постійною, а зрівнювання яркостей здійснюється переміщенням оптичного клину 2, проникного більше або менше світла від об'єкту 1. По положенню клину можна судити про температуру яскравості об'єкту.

Пірометри спектрального розподілу засновані на використанні залежності інтенсивності спектрального випромінювання нагрітих тіл від температури і довжини хвилі випромінювання. Мірою температури може бути колір випромінюючого об'єкту або відношення спектральних інтенсивностей на двох різних довжинах хвиль.

Оскільки в більшості випадків характер залежності спектральної інтенсивності випромінювання від довжини хвилі приблизно однаковий для чорного тіла і реальних випромінювачів, то і відмінність між колірною і дійсною температурами невелика.

У пірометрах порівняння (мал. 4.73, а) відношення спектральних інтенсивностей оцінюється суб'єктивно по колірному відчуттю, що створюється сумішшю двох монохроматичних пучків. Випромінювання від об'єкту 1 через об'єктив 2, нейтральний оптичний клин 3 і подвійний світлофільтр 4 прямує до фотометричного кубика 5. Подвійний світлофільтр виконаний у вигляді двох клинів (червоного і зеленого), відносним переміщенням яких можна змінювати співвідношення між інтенсивностями червоного і зеленого кольорів. На фотометричний кубик поступає також випромінювання від лампи розжарювання 12 через матове скло 11, червоний і зелений світлофільтри 10 і об'єктив 9. Через окуляр 6 і діафрагму 7 спостерігач 8 бачить дві ділянки, відповідних випромінюванню від об'єкту і лампи, забарвлених сумішшю зеленого і червоного кольорів з різним співвідношенням їх інтенсивностей. Взаємним зсувом оптичних клинів подвійного світлофільтру зрівнюють співвідношення інтенсивностей червоного і зеленого кольорів випромінювання об'єкту і випромінювання лампи розжарювання. Для урівноваження .співвідношення квітів необхідна рівність яркостей випромінювання об'єкту і лампи. Цього добиваються зміною положення нейтрального оптичного клину 3. Після урівноваження положення нейтрального клину визначають температуру яскравості; положення одного з клинів подвійного світлофільтру 4 визначає колірну температуру об'єкту.

Оператор, що працює з пірометром порівняння, винен, звичайно, володіти хорошим цветоощущением. У пірометрах спектрального відношення (мал. 4.73, би) вводиться модуляція світлового потоку. Світловий потік, пройшовши від вимірюваного об'єкту 1 через об'єктив 2, уривається обтюратором з двома світлофільтрами 4, проникними випромінювання на двох довжинах хвиль (₁ і ₂), до фотоелемента 5. Змінна складова вихідного сигналу фотоелемента посилюється підсилювачем 6 і подається на реверсивний двигун 7, який переміщає врівноважуючий фільтр 3 до тих пір, поки не зрівняються інтенсивності випромінювання на обох довжинах хвиль. У положенні рівноваги переміщення фільтру є мірою вимірюваної температури.

а) б)

Рис. 4.73. Схемы пирометров спектрального распределения:

а – сравнения; б – спектрального отношения

Основна перевага пірометрів спектрального відношення полягає в незалежності їх свідчень від випромінювальної здатності об'єкту, а також від наявності диму, пороши і випаровувань в просторі між об'єктом і пірометром.

105