4. Апаратура безконтактного контролю температури. Класифікація, будова та обґрунтування принципу дії.

З метою ТНК найбільше застосування дістали неконтактні методи вимірювання температури за тепловим випромінюванням за допомогою пірометрів, які принципіально не мають обмежень по верхньому значенню вимірювальних температур. В залежності від принципу дії розрізняють пірометри яскравісні, кольорові та радіаційні. Останні особливо призначені для вимірювання малих температур, іноді називають радіометрами (вимірювачами радіаційного потоку).

Яскравісні пірометри основані на одночасному спостереженні за яскравістю свічення ОК в ІЧ діапазоні (при температурі до 600°С) чи видимому діапазоні і еталонного джерела (звичайно прямої розжарюваної нитки). Змінюючи яскравість свічення нитки н (рис. 2.20) шляхом регулювання протікаючого струму і порівнюючи через монохроматичний фільтр ф2 яскравість нитки на фоні ОК (при низьких температурах за допомогою перетворювача), потрібно добитись пропадання частини зображення нитки з найвищою температурою В цьому випадку температура ділянки нитки і ОК будуть однакові, що дозволяє за градуюванням регулятора струму R розжарення знайти температуру ОК або за показниками реєструючого приладу Р.

Оскільки нитку лампи можна нагрівати лише до температури 1400°С, то для вимірювань більш високих температур застосовують світлофільтри додаткові Ф1, які послаблюють інтенсивність випромінювання ОК.

В деяких конструкціях для вимірювання яскравостей при постійному значенні струму лампи користуються пересувним світлофільтром із змінною густиною, т. зв. оптичним клином. Тоді температурну шкалу наносять на пристрій для зміни положення оптичного клина.

В приладах з ручним зрівноважуванням момент співпадання визначається візуально, а в приладах з автоматичним зрівноважуванням – з допомогою фотоелемента. Щоб порівнювати інтенсивність випромінювання в спектрі монохроматичних променів, у пірометрі застосовують червоний світлофільтр, який пропускає промені з довжиною хвилі 0,62 мкм і більше. Око людини чутливе до променів з довжиною хвилі до 0,73 мкм, тому порівнюють інтенсивності випромінювання у вузькому спектрі – 0,62-0,73 мкм.

Серійні яскравісні пірометри призначені для вимірювання температури від 700°С до 3000°С. Похибка вимірювання може не перевищувати 0,6-2 %. Типи оптичних пірометрів: ОППИР-017 (6000°С), лабораторний ОП (3000°С); фотоелектричні ФЕП-4 (2000°С).

Рисунок 2.21 – Схема яскравісного пірометра.

Кольорові пірометри використовують залежність потоку випромінювання від довжини хвилі та від температури. Точніше їх можна назвати пірометрами спектрального відношення, бо використовують залежність від температури тіла відношення спектральних енергетичних яскравостей в двох ділянках спектру з певними значеннями ефективних довжин хвиль:

(2.55)

В залежності від того, чи використовується для кожної із спектральних яскравостей окремий приймач (фотоелемент, фотодіод) чи обидві яскравості діють на один і той же приймач почергово, пірометр виконується по одноканальній чи двоканальній схемі.

Виділяючи з допомогою кольорових (смугових) фільтрів дві складові в різних ділянках спектру і визначивши логарифм їх відношення, можна визначити "кольорову" температуру ОК. Для підвищення точності вимірювань селективні фільтри монтують на рухомому диску модулятора (обтюратора).

Кольорові пірометри звичайно використовуються при вимірюванні високих температур (1000-3000°С), де є інтенсивне випромінювання у видимому світлі. Але, підібравши відповідну оптику, фільтри і перетворювач, можна проводити вимірювання температур, починаючи з кімнатних в ІЧ діапазоні, але чутливість і стабільність апаратури в цьому випадку невеликі.

Перевагами колірних пірометрів є незалежність показів від відстані до OK, a також від поглинання радіації в середовищі між пірометром і ОК, якщо коефіцієнт поглинання є однаковим для обох довжин хвиль. Їх недоліком є відносна складність.

Прикладом колірного пірометра може бути прилад типу ЦЭП-3, який дає змогу вимірювати температуру в межах 1400°С-2800°С з похибкою до 1%.

Радіаційні пірометри використовують залежність потоку теплового випромінювання від температури ОК, і виконуються на основі різних первинних перетворювачів: батарей термопар, охолоджувальних напівпровідникових резисторів, піроелектричних перетворювачів, болометрів і ін. Вони виготовляються на сучасній елементній базі електроніки і мають велику чутливість, що дозволяє вимірювати порівняно низькі температури. Помимо власного випромінювання контрольованого об’єкта найбільш досконалі радіаційні пірометри враховують ІЧВ посторонніх нагрітих тіл чи фону, відбитого ОК, який приблизно пропорційний потоку:

(2.56)

де _зав і Т_зав – коефіцієнт випромінювання та температура предмета, який створює випромінювання, що заважає вимірюванням.

Радіаційні пірометри будують за різними функціональними схемами, спільними частинами яких є: об’єктив, первинний вимірювальний перетворювач ІЧВ (приймач), блоки вторинної обробки інформації, пристрій наведення, калібрувальний пристрій КП та блок живлення (рис. 2.22).

На перетворювач Пp почергово попадає ІЧВ від ОК і від еталонного джерела АЧТ. Якщо потік випромінювання від ОК такий же, як від каліброваного пристрою (еталонного джерела АЧТ), то на виході перетворювача Пр вихідний сигнал буде нульовим. При відмінності потоків випромінювання, які визначаються, в першу чергу, перепадом температур, на виході перетворювача появиться вихідний сигнал, який визначається різницею потоків теплового випромінювання.

Перетворювач Пр під’єднанний до електричної схеми (мостової, балансної і т.п.), в яку увімкнений коректор випромінювання, який дозволяє змінити коефіцієнт передачі в залежності від коефіцієнта теплового випромінювання від ОК. Сигнал після коректора попадає на підсилювач, а потім на синхронний детектор СД, який потрібний для формування на виході постійної напруги відповідного знаку в залежності від того, який з потоків випромінювання ОК чи АЧТ більший за значенням. Для нормальної роботи синхронного детектора необхідно подати на нього опорну напругу, яка характеризує положення диска модулятора і показує, який з потоків визначає в даний момент сигнал перетворювача. Цю роль виконують лампа Л, фотоелемент ФЕ, формувач імпульсів ФІ.

Так як потік теплового випромінювання нелінійно залежить від температури ОК, для одержання лінійної шкали встановлюють нелінійний коректуючий пристрій – лінеаризатор. Температуру ОК показує вимірювальний прилад (реєстратор), який може бути стрілковий, цифровий і ін.

Висока спрямованість об’єктива пірометра робить необхідним пристрій візуального наведення, який має візир і окуляр.

За наведеною схемою виготовляють досить чутливі і точні радіаційні пірометри. Інколи для спрощення конструкції радіаційного пірометра і покращання його експлуатаційних властивостей вимикають систему модуляції, АЧТ та спрощують оптичну систему. Погіршення точності вимірювань (в 3-10 раз), компенсується зручністю роботи з портативним приладом.

Настроювання радіаційних пірометрів полягає у виборі і встановленні режимів роботи (вибір діапазонів та режиму проведення вимірювання: однократний, з запам’ятовуванням і обробкою результатів і т. д., установка поля, чутливості чи шкали); у введенні коефіцієнта теплового випромінювання і температури навколишнього середовища чи сильно нагрітих предметів.

Рисунок 2.22 - Функціональна схема радіаційного пірометра з модуляцією потоку.

Коефіцієнт випромінювання в залежності від конкретних умов визнача-ється по різному:

4. на базі досвіду, який вже є від роботи з об’єктами даного типу, закріпленого в нормативно-технічній документації;

5. за таблицями для різних матеріалів;

6. безпосередньо вимірюється, якщо в якій-небудь зоні ОК температура точно відома.

У цьому випадку направляють пірометр на ділянку ОК з відомою темпе-ратурою, регулюють покази пірометра ручкою установки коефіцієнту теплового випромінювання до значення, рівного відомій температурі, вважаючи при цьому, що вплив навколишніх предметів невеликий. Таким чином можна досить точно врахувати вплив коефіцієнта теплового випромінювання чи, навпаки, проводити його вимірювання з метою дослідження якості різних ОК.

Похибка вимірювання температури радіаційними пірометрами визначається наступними складовими:

7. нестабільністю його блоків;

8. похибкою, з якою відомий коефіцієнт теплового випромінювання;

9. впливом температури навколишнього середовища, фону і нагрітих предметів;

10. динамічними похибками від взаємного переміщення ОК, пірометра і інших предметів;

11. обмеженими розмірами ОК чи великим полем зору пірометра;

12. непостійністю температури на ОК і іншими другорядними причинами.

Найчастіше найбільш суттєвою є похибка від того, що коефіцієнт теплового випромінювання відомий не точно чи змінюється від виробу до виробу із-за шорсткості чи нерівностей поверхонь, наявності покрить, окислів, забруднень, взаємних переносів і інших виробничих причин.

Похибка, яка виникає із-за невизначеності коефіцієнта теплового випромінювання, може бути суттєво знижена для сірих об’єктів ((T,)=const), якщо проводити вимірювання в інших частотних діапазонах, тобто реєструвати випромінювання в діапазоні з двома середніми довжинами хвиль і разом обробити одержані сигнали.

Використаємо формулу розподілу випромінювання (густини теплового потоку) в залежності від довжини хвилі:

, (2.57)

де с₁=3,7410^-16 Втм², с₂=1,43910^-2 кгК.

Візьмемо відношення спектральних густин теплових потоків:

. (2.58)

Тут вважаємо, що для сірого тіла _в=соnst (не залежить від ). Прологарифмувавши це відношення, дістанемо:

; (2.59)

(2.60)

Таким чином, для "сірих" ОК, вибравши підходящі довжини хвиль ₁ і ₂, обробивши одержані від перетворювача сигнали, пропорційні q_1 і q_2, в відповідності з одержаним виразом для Т, можна визначити істинну температуру об’єкта. Цей принцип роботи реалізують деякі пірометри, які мають модулятор у вигляді набору світлофільтрів, які пропускають відповідні випромінювання.

Невизначеність та непостійність коефіцієнта теплового випромінювання приводить на практиці до того, що для НК доцільніше не використовувати радіаційні пірометри високої точності, а краще використати пірометр з більшою похибкою, але який має кращі експлуатаційні показники: габарити, масу, джерела живлення, простоту та зручність у роботі і т.д.