9. Бесконтактные способы измерения температуры. Пирометры излучения. Оптические пирометры.

Применение бесконтактных средств измерений позволяет производить измерения температуры движущихся объектов; объектов, расположенных в труднодоступных местах; избегать повреждений средств измерений при контроле высоких температур. Высокое быстродействие, возможность измерения температуры без отключения объекта от техпроцесса, обеспечение безопасности персонала, измерение температуры до 3000 0C - основные преимущества пирометров и тепловизоров.

В настоящее время наряду с контактными средствами измерения все более широкое применение в промышленности находят средства бесконтактного измерения температуры - пирометры и тепловизоры.

Пирометр

- это средство измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для отображения значения температуры на индикаторе прибора или преобразования в аналоговый или цифровой сигнал. Пирометры способны измерять температуру круговой зоны, ограниченной полем зрения прибора и усредняют температуру в пределах данной зоны. Зона видимости пирометра зависит от расстояния до объекта и от оптического разрешения пирометра, таким образом варьируя эти два параметра, с помощью пирометра можно измерять как температуру тонкой проволоки, так и среднюю температуру поверхности кузова автомобиля перед покраской.

Тепловизор

- это средство измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для определения значения температуры и преобразования её в визуальную картину распределения тепловых полей по поверхности объекта. Тепловизор позволяет получить обобщенную информацию - тепловую картину некоторой области и конкретное значение температуры интересуемого объекта, размер которого равен или больше размера элементарной ячейки поля зрения тепловизора. Применение бесконтактных средств измерений позволяет производить измерения температуры движущихся объектов; объектов, расположенных в труднодоступных местах; избегать повреждений средств измерений при контроле высоких температур. Высокое быстродействие, возможность измерения температуры без отключения объекта от техпроцесса, обеспечение безопасности персонала, измерение температуры до 3000 0C - основные преимущества пирометров и тепловизоров. 

ПИРОМЕТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ.

Действие пирометров излучения основано на измерении излучаемой телом энергии, зависящей от его температуры и физико-химических свойств. Чем выше температура нагретого тела, тем больше интенсивность излучения. При нагреве до 500 °С тело излучает невидимые инфракрасные (тепловые) лучи с большой длиной волны. Дальнейшее повышение температуры вызывает появление излучения видимых световых лучей- Вначале раскаленное тело имеет темно-красный цвет, который по мере увеличения температуры переходит в красный, оранжевый, желтый и, наконец, в белый. Наряду с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает интенсивность (яркость) монохроматического (одноцветного) излучения, а также заметно увеличивается суммарное излучение (радиация). Такие свойства нагретых тел, как яркость и радиация, используются для измерения температуры пирометрами излучения, которые по принципу действия подразделяются на яркостные (оптические), фотоэлектрические и радиационные.

Яркостные пирометры действуют по методу сравнения яркости двух тел: тела, температура которого измеряется, и эталонного тела (нити лампы накаливания с регулируемой яркостью). Принципиальная схема яркостного пирометра с исчезающей нитью приведена на рис. Объектив  служит для фокусирования изображения раскаленного тела с плоскостью нити лампы. Перед лампой включен фильтр 2, уменьшающий видимую интенсивность излучения раскаленного тела. Внутри телескопической трубы в фокусе объективной линзы находится пирометрическая лампа 3, питающаяся током от батареи Б.

Рис. Схема яркостного пирометра с исчезающей нитью.

Рис. Нить пирометрической лампы на фоне раскаленного тела.

Для определения силы питающего тока в цепь включен миллиамперметр мА, шкала которого градуируется в градусах МПТШ-68. Через окуляр4 корректируется изображение нити по глазу наблюдателя. В момент отсчета включается красный светофильтр 5 и реостатом R с помощью поворотного кольца 6 регулируется сила тока до тех пор, пока средняя часть нити не исчезнет на фоне раскаленного тела (рис.), т. е. не наступит равенство яркостных температур нити и тела. Промышленностью выпускаются яркостные пирометры с исчезающей нитью для измерения температур от 880 до нескольких тысяч градусов. Фотоэлектрические пирометры отличаются от оптических тем, что оценка яркости производится не глазом наблюдателя, а с помощью фотоприемников - фотоэлементов и фотоумножителей. Действие фотоэлектрического пирометра основано на свойствах фотоэлемента изменять возникающий в нем фототок пропорционально световому потоку. На рис. показана схема фотоэлектрического яркостного пирометра. Тело 1 (лампа накаливания 1') излучает световой поток, который концентрируется линзой 2 (2'), а затем через светофильтр 3, служащий для изменения пределов измерения, и красный светофильтр попадает на фотоприемник 6. Очередность освещения создается модулятором 5, вибрирующим с частотой 50 Гц. При разных яркостных температурах излучающего тела и лампы накаливания в цепи фотоэлемента возникает переменная составляющая фототека, совпадающая по фазе с фототоком от тела либо от лампы. Переменная составляющая усиливается электронным усилителем, выходной сигнал которого управляет цепью питания лампы до тех пор, пока освещенности измеряемого тела и лампы не уравняются. Сила тока, питающего лампу, измеряется автоматическим электронным потенциометром П, имеющим самопишущее устройство. Предел измерения температуры 800-4000 °С.

Радиационные пирометры действуют по принципу измерения мощности излучения нагретого тела. Испускаемые нагретым телом лучи воспринимаются теплоприемником, состоящим из нескольких последовательно соединенных термопреобразователей (термобатарея), термометра сопротивления и измерительных приборов (милливольтметров, автоматических потенциометров и уравновешенных мостов). Корпус с оптической системой, теплоприемником и другими устройствами называют телескопом радиационного пирометра.

Оптические системы бывают двух разновидностей: рефракторная - преломляющая (с линзой) и рефлекторная - отражающая (с собирательным зеркалом).

Рис. Схема фотоэлектрического яркостного пирометра.

Рис. Схема радиационного пирометра с термобатареей.

Пирометр с рефлекторной оптической системой (рис.) состоит из объективной линзы 1, собирающей лучи, окуляра 2 для наводки телескопа на нагретое тело, ограничивающей диафрагмы 3, установленной на пути лучей от источника излучения, термоэлектрической батареи 4, расположенной в фокусе объективной линзы, цветного стекла 5 для защиты глаза при установке прибора. Улавливаемые пирометром тепловые лучи концентрируются при помощи линзы 1 на термобатарее 4, состоящей из ряда термопреобразователей. По термо-ЭДС, развиваемой этими термопреобразователями, определяется величина измеряемой температуры. Расстояние между излучающим телом и телескопом принимают 0,8-1,3 м. Предел измерения температуры 20-3000 "С.

Радиационные пирометры могут быть установлены стационарно с применением дистанционной передачи, автоматической записи и регулирования температуры.