книги / Теплотехнические измерения и приборы

Накал нити пирометрической лампы, а следовательно, и ее яркость зависят от протекающей по нити силы тока, которая регулируется с помощью реостата.

В общепромышленных оптических пирометрах в качестве измери­ тельного прибора используется показывающий милливольтметр со шкалой, позволяющей производить отсчет яркостной темпера­ туры, выраженной в градусах Цельсия. В некоторых типах опти­ ческих пирометров в качестве показывающего прибора применяется миллиамперметр, включаемый последовательно с нитью лампы. Следует отметить, что при начале свечения нити лампы ток состав­ ляет примерно 50% тока при накале нити, соответствующем темпе­ ратуре* верхнего предела измерения, в то время как напряжение на зажимах лампы достигает примерно 25% напряжения, соответ­ ствующего той же температуре. Поэтому измерять напряжение на зажимах лампы выгоднее, чем ток, так как в этом случае лучше используется шкала электроизмерительного прибора. В оптических пирометрах повышенной точности и образцовых в качестве измери­ тельных приборов используются потенциометры, обеспечивающие большую точность измерения.

При фокусировке телескопа объектив перемещают вдоль опти­ ческой оси, добиваясь резкой видимости объекта и совпадения плоскости его изображения с плоскостью нити лампы. Когда теле­ скоп фокусирован на объект, яркостная температура которого измеряется, в поле зрения на фоне изображения источника видна верхняя часть дуги нити лампы. Если при этом яркость нити будет меньше, чем яркость фона изображения источника, то нить предста­ вится черной; если фон имеет меньшую по сравнению с нитью яркость, то нить будет выглядеть как светлая дуга на более темном фоне. Меняя сопротивление реостата, можно установить такую силу тока, при которой в пределах контрастной чувствительности человеческого глаза равенство яркостей нити и фона создает эффект исчезновения нити, которая перестает быть видимой. Соответствующее этому равенству яркостей напряжение на зажимах лампы отсчитывается по включенному в цепь измерительному прибору. Для удобства применения рабочих пирометров показывающие приборы снабжа­ ются обычно шкалой, позволяющей отсчитывать непосредственно яркостную температуру, выраженную в градусах Цельсия.

В оптических пирометрах для монохроматизации света приме­ няют светофильтр из красного стекла марки КС-15. На рис. 7-3-2 представлены кривые пропускания красного светофильтра для разных длин волн и относительной спектральной чувствительности человеческого глаза или так называемой относительной видности глаза. Горизонтальная штриховка обозначает спектральную область чувствительности человеческого глаза,-а наклонная штриховка — область поглощения лучистой энергии в красном светофильтре. Таким образом, человеческий глаз через красный светофильтр воспринимает только область спектра, отмеченную горизонтальной и вертикальной штриховкой. Это позволяет световой поток рассмат-

ривать как эквивалентное монохроматическое излучение со значе­ нием эффективной длины волны определяемым с погрешностью, обычно не превышающей 0,01—0,02 мкм. У применяемых оптичес­ ких пирометров с красным светофильтром из стекла КС-15 эффектив­ ная длина волны лежит в пределах 0,65—0,66 мкм.

Выше отмечалось, что при повышении температуры тела в соот­ ветствии с законом смещения Вина максимум энергии излучения смещается в сторону коротких волн; это в свою очередь обусловли­ вает уменьшение эффективной длины волны пирометра. Для пиро­ метра, использующего для монохроматизации красный светофильтр,

оптического пирометра снабжают поглощающим стеклом, помещае­ мым между объективом и пирометрической лампой. Поглощающее стекло может быть установлено и перед объективом в целях умень­ шения его нагрева. Поглощающее стекло, предназначенное для ослабления яркости источника излучения, обычно характеризуют его коэффициентом пропускания. Значение этого коэффициента показывает, какая доля лучистой энергии спектрального участка, используемого в оптическом пирометре, упавшая на стекло, про­ пускается им. Таким образом, измерение яркостных температур с включенным поглощающим стеклом производится путем сравнения неослабленной яркости нити пирометрической лампы с ослаблен­ ной яркостью источника излучения.

В качестве поглощающего стекла обычно применяют пурпурное стекло марки ПС-2, а иногда марки НС-13. Проведенные во ВНИИМ исследования показали, что оптическая плотность этих стекол зависит от температуры самих стекол. При повышении температуры поглощающего стекла ПС-2 его оптическая плотность увеличивается,

ванным источником излучения. Уравнение (7-3-2) имеет большое значение в оптической пирометрии. Это уравнение позволяет про­ изводить градуировку и поверку шкалы оптических пирометров выше 1400°С; кроме того, на его основе с помощью набора ослабляю­ щих устройств воспроизводится температурная шкала по одной опорной точке Т0— точке затвердевания золота [26].

Оптический пирометр типа ОППИР-017, снабженный встроенным в первичный преобразователь (телескоп) показывающим измери­ тельным прибором, является техническим пирометром с исчезающей

Рис. 7-3-3. Схема устройства оптического пирометра типа ОППИР-017.

нитью переменного накала. Пирометр рассчитан на следующие диапазоны измерений яркостной температуры: 800—2000° С, 1200— 3000°С. Схема прибора показана на рис. 7-3-3. Оптическая система пирометра состоит из объектива 1, окуляра 2, красного светофильт­ ра 3, диафрагмы 4 для ограничения и обеспечения постоянства выходного угла и поглощающего стекла 5. В фокальной плоскости телескопа находится нить пирометрической лампы 6.

В качестве показывающего прибора используется дифферен­ циальный амперметр 7 магнитоэлектрической системы с двумя рамками Rp и RP- Рамка Rp является основной и включена парал­ лельно нити пирометрической лампы. Рамка Rp, представляющая собой дополнительную рамку, включенную последовательно с нитью лампы, создает вращающий момент, противоположный моменту основной рамки. Такая схема прибора позволяет уменьшить нера­ бочий участок его шкалы до минимального значения.

Сила тока, протекающего через нить, регулируется с помощью кольцевого реостата Ri. При повороте кольца, а следовательно, и движка 8 слева направо сопротивление реостата уменьшается. При крайнем левом положении кольца движок сходит со спиралей реостата и разрывает цепь питания током нити лампы. При этом движок соединяет концевые контакты 9 и замыкает накоротко основную рамку Rp, что способствует успокоению подвижной части прибора и уменьшению колебаний ее при переноске пирометра.

Принципиальная электрическая схема оптического пирометра

производить потенциометром путем измерения падения напряжения на образцовом резисторе, включаемом последовательно с нитью лампы и источником питания.

Лабораторный оптический пирометр типа ОП с исчезающей нитью переменного накала предназначается для измерения яркост­ ных температур от 900 до 3000°С. Этот прибор применяют как образцовый 2-го разряда, так и для измерения температур при раз­ личных научных исследованиях.

Устройство оптического пирометра ОП показано на рис. 7-3-5. Объектив 1 и окуляр 3 пирометра помещены в тубусы, закреплен­ ные в кронштейне 4 и соединенные с коробкой 5, в патроне которой установлена пирометрическая лампа 6. Перемещение объектива производится поворотом наружного кольца 2, Между пирометри­ ческой лампой и окуляром установлен красный светофильтр 7 для монохроматизации света.

Патрон пирометрической лампы снабжен юстировочным приспо­ соблением, позволяющим устанавливать нить лампы на оптической оси прибора.

При наводке оптической системы пирометра на исследуемый объект тубусы и коробки пирометрической лампы, закрепленные на кронштейне, могут поворачиваться на вертикальной винтовой стойке 8 в пределах 30°, а при вращении маховика 9 =• подниматься

Измерение силы тока, протекающего через нить пирометриче­ ской лампы, производится лабораторным потенциометром путем измерения падения напряжения на образцовом резисторе 0,1 Ом, включенном в цепь источника питания последовательно с нитью лампы.

Кроме рассмотренных, для измерения яркостной температуры применяется прецизионный оптический пирометр типа ЭОП [26].

Основные методические указания по применению оптических пирометров. При измерении яркостной температуры с помощью оптического пирометра необходимо учитывать, что коэффициент излучения тела e>w, как отмечалось выше, зависит не только от температуры тела и длины волны, но и в сильной степени от харак­ тера поверхности данного тела. Увеличение шероховатости поверх­ ности реального тела приводит к возрастанию е*. Различная степень окисления поверхности металла приводит к изменению коэффициен­ та излучения. В силу этого для повышения надежности определения действительной температуры тела целесообразно было бы одновре­ менно с измерением яркостной температуры производить и опреде­ ление коэффициента излучения данного тела. Однако это является довольно трудоемким процессом и вследствие этого приходится пользоваться коэффициентами излучения тел, установленными для некоторых наиболее распространенных состояний их поверхности.

Коэффициенты излучения некоторых тел для X = 0,65 мкм приведены в [26]. Следует иметь в виду, что в различных конкрет­ ных условиях измерения одно и то же тело может иметь коэффициент излучения ех, значительно отличающийся от табличных данных.

Вследствие указанных выше причин переход от яркостной тем­ пературы реального тела к его действительной температуре связан с возникновением методической погрешности от неточности подбора числового значения коэффициента е^. Отклонение от действительного значения е*, может достигать ± (10^—20) %. Погрешность при пере­ ходе от яркостной температуры к действительной, вызываемая неточностью значения е^, может быть оценена по формуле, полу­ чаемой дифференцированием уравнения (7-3-14) по Т и е*:

При неточности подбора числового значения е*, равной ±15% (Aej/e*. = ±0,15), и значениях%9= 0,65 мкм и с2 = 14,38-103 мкм*К погрешность АТг при переходе от яркостной температуры 0*, к действительной Т составит:

Выше было сказано, что оптическая плотность поглощающего стекла зависит от его температуры. Поэтому при применении, опти­ ческих пирометров в помещениях с температурами, отличающими от 20 ± 5°С, необходимо учитывать возникновение дополнительной

погрешности измерений, значение которой зависит от марки погло­ щающего стекла и размера отклонения температуры стекла от нор­ мальной области. Например, при измерении температуры Т = = 3000 К и температуре поглощающего стекла 35°С (At = 10вС) дополнительная погрешность АТ составит для применяемых марок стекла:

Подсчет этого вида дополнительной погрешности для другого значения измеряемой температуры Т1г отличного от Т = 3000 К, может быть произведен по формуле

(7-3,5)

• Следует иметь в виду еще одну причину, значительно влияющую на результаты измерения, которую довольно часто не учитывают, а'именно: при измерении температуры нагретого тела, освещенного посторонним источником, яркостная температура этого тела, пока­ зываемая оптическим пирометром, не соответствует действительной яркостной температуре тела, так как к собственной его яркости, обусловленной излучением этого тела, добавляется яркость, отра­ женная телом. Эта дополнительная яркость, зависящая от степени освещенности тела посторонним источником, будет тем больше, чем больше коэффициент отражения поверхности нагретого тела. Погрешность, обусловленную влиянием отраженных лучей (воз­ никновением дополнительной яркости), не представляется возмож­ ным учесть с достаточной достоверностью, так как кроме значения коэффициента отражения тела в данном направлении необходимо знать степень освещенности тела от постороннего источника света. Поэтому при измерении температуры нагретого тела необходимо стремиться так организовать измерения, чтобы степень освещения тела посторонним источником света была сведена к минимуму.

Погрешность измерения, обусловленная влиянием отраженных лучей, может иметь место, например, при измерении температуры деталей вскоре после их загрузки в печь, при неравномерном нагре­ ве частей печного пространства и т. д. Если печь имеет хорошо изо­ лированные стенки и достаточно большое время находилась при данной температуре, то внутри печи, между ее стенками и находя­ щимися в ней деталями, устанавливается удовлетворительное лучистое равновесие, и такую печь можно рассматривать как своего рода модель черного тела. В этом случае яркостная температура печи, измеряемая с помощью оптического пирометра, будет близка к ее действительной температуре, какова бы ни была степень чер­ ноты излучения деталей, загруженных в печь.

При измерениях яркостных температура оптическим пирометром возможна также погрешность, обусловленная ослаблением видимой яркости нагретого тела вследствие рассеяния и поглощения лучей

в слое задымленного иЛи запыленного воздуха, находящегося между пирометром и данным телом. Определить суммарный коэффициент ослабления слоя этого воздуха.для данной длины волны в производ­ ственных условиях представляет большие трудности. Поэтому учесть эту погрешность в большинстве случаев затруднительно.

Во многих практических случаях, например при измерении температуры жидкого металла в ванне, имеет место большая неоп­ ределенность действительного значения коэффициента черноты излучения объекта е*,. Известно, .что образование на поверхности жидкого металла пленки окислов в значительной степени увели­ чивает значение ех визируемого зеркала металла и разность между яркостной температурой зеркала металла, измеренной оптическим пирометром, и его действительной температурой становится весьма неопределенной и меняющейся в процессе дальнейшего окисления поверхности металла.

В тех случаях, когда жела­ тельно, чтобы показания оптиче­ ского пирометра непосредственно характеризовали действительную температуру тела и не было не­ обходимости. вводить недостаточно определенные поправки, исполь­ зуют искусственную полость чер­ ного тела.

В качестве примера искусственной полости черного тела на рис. 7-3-6 представлена схема введения в ванну с жидким металлом огнеупорной глухой трубы. Внутреннюю полость визирной трубы,

С помощью формулы (7-3-6) при известном рх можно определить значение отношения d/L, обеспечивающее требуемый коэффициент черноты излучения ех польсти. При применении этой формулы необходимо иметь в виду, что чернота полости определяется не

только размером ее отверстия, но и степенью изотермичности ее стенок.

7-4. Фотоэлектрические пирометры

Фотоэлектрические пирометры являются автоматическими по­ казывающими и записывающими приборами. Они позволяют изме­ рять и записывать яркостную температуру неподвижных или дви­ жущихся тел, нагретых до видимого свечения,например температуры при высокочастотном нагреве, температуры прокатываемого металла и т. п.

Фотоэлектрические методы измерения яркостей широко исполь­ зуются в прецизионных фотоэлектрических установках, применяе­ мых для научных исследований и эталонных работ в области опти­ ческой пирометрии. Фотоэлектрические методы позволили прев­ зойти точность в измерении яркостей, которая была достигнута в визуальной оптической пирометрии, так как в последнем случае точность ограничена контрастной чувствительностью человеческого глаза.

В фотоэлектрических пирометрах в качестве приемника излуче­ ния (чувствительного элемента) используют фотоэлемент, фото­ сопротивление и т. п. При освещении фотоэлемента в цепи его воз­ никает ток, пропорциональный световому потоку, испускаемому нагретым телом. Следует отметить, что применяемые фотоэлементы (сурьмяно-цезиевые, кислородно-цезиевые, с запирающим, слоем и др.) обладают различной спектральной чувствительностью, кото­ рая зависит от типа фотоэлемента.

В зависимости от того, какой рабочий спектральный интервал используется в существующих фотоэлектрических пирометрах, они могут быть разделены на две группы. К первой группе относятся фотоэлектрические пирометры, у которых при применении красного светофильтра с областью пропускания, начинающейся с длины волны около 0,6 мкм, используется сравнительно узкий рабочий спектральный интервал фотоэлемента — от 0,6 до 0,72 мкм. Благо­ даря этому у пирометров этого типа и у.визуальных оптических пиро­ метров эффективные длины волн практически совпадают. Градуи­ ровка и поверка фотоэлектрических пирометров этого типа произво­ дится с помощью температурных ламп, снабженных стеклом ПС-5 и градуированных на яркостные температуры в свете длины волны 0,65 мкм.

Поскольку эффективные длины волн указанных фотоэлектри­ ческих пирометров и визуальных оптических пирометров одинаковы, то яркостные температуры, измеренные этими приборами, будут совпадать в пределах их суммы допустимых основных погрешнос­ тей. Переход к действительным температурам тел от их яркостных температур, измеренных фотоэлектрическим пирометром, можно осуществлять с помощью уравнений (7-2-14) и (7-2-15) или специаль­ ных таблиц.

Широко применяемым фотоэлектрическим пирометром пер­ вой группы является прибор ФЭП-4 с нижним пределом измерения 800°С, Из числа выпускаемых фотоэлектрических пирометров за