Измерение температуры радиационными пирометрами. Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Теплотехнические измерения»

УДК 502(7)

С422

Рецензент – А.Ю. Кривцов, канд. техн. наук, доц.

Скаков С.В.

С422 Измерение температуры радиационными пирометрами [Текст]: методи-

ческие указания к лабораторной работе по дисциплине «Теплотехниче-

ские измерения» / сост. С.В. Скаков. – Липецк : Изд-во Липецкого госу-

дарственного технического университета, 2014. – 17 с.

Приведено описание бесконтактных методов измерения температуры,

принципа работы и конструкции переносного радиационного пирометра.

Методические указания рекомендованы студентам-бакалаврам, обучаю-

щимся по направлению 150400.62 «Металлургия» профиля подготовки «Теп-

лофизика, автоматизация и экология промышленных печей» для выполнения лабораторной работы по учебной дисциплине «Теплотехнические измерения».

Табл. 2. Ил. 4. Библиогр.: 2 назв.

©ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014

©Скаков С.В., составление, 2014

Рецензия

на методические указания к лабораторной работе

«Измерение температуры радиационными пирометрами»

Представленные на рецензию методические указания автора ассистента кафедры теплофизики ЛГТУ Скакова С.В. содержит 16 страниц, 2 таблицы,

2 приложения, 5 иллюстраций, Содержание работы включает общие сведения,

описание радиационного пирометра и лабораторной установки, требования техники безопасности, порядок выполнения работы с содержанием отчета и список литературы согласно требованиям СМК ЛГТУ.

В методических указаниях рассмотрены теоретические основы бескон-

тактного измерения температуры с помощью радиационных пирометров, кон-

струкция и параметры инфракрасного пирометра. В практической части изло-

жен порядок выполнения лабораторной работы, с указанием требований техни-

ки безопасности и примерным содержанием отчета, приведены контрольные вопросы для проверки усвоения студентами предмета лабораторной работы.

Рецензируемые методические указания к выполнению лабораторной ра-

боты по дисциплине «Теплотехнические измерения»: «Измерение температуры радиационными пирометрами» являются завершенной учебно-методической работой и рекомендуются для опубликования.

Рецензент:

кандидат технических наук,

3

Цели работы:

1. Изучение методики измерения температуры тел по их тепловому излу-

чению;

2. Ознакомление студентов с принципом работы и конструкцией пере-

носного радиационного пирометра;

3. Экспериментальное изучение влияния расстояния до излучателя на по-

грешность определения радиационной температуры.

Общие сведения

Совокупность методов измерения температуры нагретых тел по их излу-

чению называется пирометрией. Существует два основных способа пиромет-

рии: радиационный и спектральный. Радиационная пирометрия использует зависимость интегральной энергетической яркости излучения от температуры в относительно широком диапазоне длин волн – как правило, в инфракрасном диапазоне. Спектральная пирометрия основывается на зависимости спек-

тральной характеристики излучения от температуры в диапазонах инфракрас-

ного излучения и видимого света, другими словами, на зависимости цвета из-

лучения от температуры. При этом анализируемый диапазон длин волн относи-

тельно узок, что позволяет уменьшить влияние коэффициента излучения по-

верхности тел на точность измерений.

Средства измерения температуры тел по тепловому излучению принято называть пирометрами излучения или просто пирометрами.

При измерении температуры с помощью пирометров температурное поле объекта не искажается, так как измерение, осуществляемое методами пиромет-

рии излучения, не требует непосредственного соприкосновения с телом какого-

то теплоприемника. Поэтому такие методы принято называть бесконтактными.

Основное назначение пирометров – дистанционное определение темпера-

туры различных объектов. Чаще всего они используются там, где контактное измерение температуры замедляет технологический процесс или вовсе не пред-

4

ставляется возможным, например, в металлургии, металлообрабатывающей или нефтеперерабатывающей промышленности.

Все методы измерения температуры нагретых тел по их излучению бази-

руются на закономерностях (закон Планка, закон Стефана-Больцмана, уравне-

ние Вина), которые полностью справедливы только для абсолютно черных тел.

Свойства абсолютно черного тела таковы, что оно поглощает всё тепловое из-

лучение, падающее на него. Такие тела не встречаются в природе (ближайшим по свойствам является Солнце), но возможно создание модели черного тела с достаточной степенью приближения.

Измерение температуры реальных тел с использованием зависимостей для абсолютно черного тела приводит к возникновению ощутимой разницы между результатом измерения и действительной температурой тела, которую можно получить каким-нибудь контактным методом. Это отличие подчеркива-

ется особенными названиями результатов таких измерений: радиационная, яр-

костная или цветовая температура.

Радиационная температура реального тела TР – это такая температура абсолютно черного тела, при которой его полная энергетическая яркость равна полной энергетической яркости реального тела при действительной температуре TД .

Согласно этому определению запишем

где B(TД ) – полная энергетическая яркость реального тела при действи-

тельной температуре TД , Вт/(ср∙м2);

B0 (TР ) – полная энергетическая яркость абсолютно черного тела при ра-

диационной температуре TР , Вт/(ср∙м2);

5

r B(T ) B0 (T ) 1 – полный коэффициент излучения, учитывающий от-

личие полной энергетической яркости реального и абсолютно черного тела;

1,8047 Вт/(ср∙м2∙К4) – постоянная излучения, входящая в формулу за-

0

кона Стефана-Больцмана, связывающего полную энергетическую яркость абсо-

лютно черного тела с его температурой.

Формула (3) позволяет вычислить действительную температуру тела TД ,

если известны его радиационная температура TР и коэффициент излучения r .

Коэффициенты излучения для некоторых материалов приведены в прил. 2.

Наиболее распространенным классом среди бесконтактных приборов яв-

ляются инфракрасные пирометры, использующие метод радиационной пиро-

метрии (другие названия – инфракрасный термометр или инфракрасный радио-

метр). Конструктивно такой пирометр представляет собой пирометрический преобразователь и устройство отображения информации, аналоговое или циф-

ровое. Принципиальная схема переносного инфракрасного пирометра пред-

ставлена на рис.1.

Процесс измерения температуры происходит следующим образом: поток теплового излучения от тела 1, сфокусированный оптической системой пиро-

метра 2, падает на датчик 4 (первичный пирометрический преобразователь), в

результате на выходе датчика образуется электрический сигнал, пропорцио-

нальный значению температуры объекта измерения. Этот сигнал попадает на вход электронного преобразователя 5 (вторичного пирометрического преобра-

зователя) и далее – в измерительно-счетное устройство, где обрабатывается в соответствии с настройкой пирометра. Результат отображается на индикаторе 6

(индикация у современных пирометров, как правило, цифровая). Таким обра-

зом, чтобы получить относительно точное значение температуры объекта,

пользователю нужно лишь навести пирометр на объект измерения и нажать на кнопку 8. Питание переносного пирометра осуществляется от аккумуляторной батареи 7. В некоторых моделях пирометров предусмотрено наличие корректи-

рующего устройства 9, которое позволяет учитывать (непосредственно при из-

6

мерениях) величину коэффициент излучения r . Для облегчения процесса ви-

зирования на объект измерения пирометры снабжаются различными приспо-

соблениями, такими как, например, лазерный целеуказатель 3. Если пирометр предназначен для измерения температур свыше 1000°С, то он, как правило,

снабжается специальным оптическим видоискателем, так как лазерный луч плохо различается на раскаленных поверхностях.

Предел допустимой основной абсолютной погрешности радиационных пирометров в области температур от 500 до 1000°С составляет 7-30°С.

Рис. 1. Принципиальная схема переносного радиационного пирометра:

1 – нагретое тело; 2 – оптическая система пирометра; 3 – лазерный диод системы целеуказа-

ния; 4 – оптико-электрический преобразователь; 5 – электронный преобразователь-

вычислитель; 6 – аналоговое или цифровое устройство отображения информации; 7 – блок питания пирометра (аккумуляторная батарея); 8 – кнопка включения прибора;

9 – устройство коррекции показаний

Диапазон измеряемых температур для конкретной модели пирометра определяется рабочей длиной волны. Пирометры, предназначенные для изме-

рения высоких температур, работают на более коротких волнах, поскольку с ростом температуры спектр излучения смещается в сторону высоких частот.

7

Большое значение при выполнении измерений радиационным пиромет-

ром имеет правильный выбор расстояния до контролируемого объекта. Опре-

делить максимальную величину этого расстояния помогает такая характеристи-

ка оптической системы пирометра, как показатель визирования:

где D – диаметр поля зрения пирометра, т.е. площадки, излучение с кото-

рой попадает в оптическую систему прибора, м;

L – расстояние от поля зрения пирометра до объектива пирометра, м.

Для современных пирометров величина n находится в пределах от 2:1 (специальные широкоформатные пирометры) до 1:600 (пирометры, предназна-

ченные для измерений на больших расстояниях).

Величину, обратную показателю визирования, называют оптическим раз-

решением пирометрического преобразователя.

В технической документации к пирометру обычно указывается конкрет-

ное значение номинального показателя визирования в виде дроби или приво-

дится графическая диаграмма направленности (рис. 2).

Для получения верного значения радиационной температуры размеры объекта измерения должны быть больше, чем диаметр поля зрения пирометра на расстоянии, соответствующем расстоянию до объекта. В противном случае прибор начинает принимать излучение от других объектов, и это оказывает значительное влияние на результаты измерения. Максимальное расстояние, с

которого все еще допустимо проведение измерений, определяется по формуле

где D0 – диаметр наибольшего круга, вписанного в проекцию контура из-

лучателя на плоскость, перпендикулярную оптической оси преобразователя, м.

8

Рис. 2. Пример диаграммы направленности радиационного пирометра

При проведении измерений на небольших расстояниях следует учитывать также то, что для многих пирометров диаграмму направленности можно счи-

тать конической только на достаточно больших расстояниях, вблизи она имеет гораздо более сложную форму. Очень часто поле зрения пирометра сначала сужается до своего минимального диаметра и только потом начинает расши-

ряться в виде конуса. Расстояние, на котором достигается минимальный диа-

метр, называется фокусным расстоянием F, и для пирометров с подобной диа-

граммой направленности этот параметр должен указываться в технической до-

кументации. Существует класс специальных короткофокусных пирометров с фокусом в районе 30…60 см и диаметром пятна 5…8 мм.

Принцип работы пирометра предполагает достаточно быстрое измерение температуры, поэтому к этим приборам предъявляются определенные требова-

ния по быстродействию. Временем установления показаний считается проме-

жуток, который отсчитывается с момента скачкообразного изменения полной энергетической яркости на входе датчика пирометра до того момента, когда выходной сигнал достигает установившегося значения с отклонением до 2%.

Быстродействие современных пирометров не превышает 1 с.

9

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка для проведения измерений радиационной темпе-

ратуры (рис. 3) состоит из следующих элементов:

1. объекта измерений – муфельной электрической печи 1, в рабочем про-

странстве которой установлена перегородка с малым отверстием-диафрагмой 2,

что позволяет считать рабочее пространство печи моделью абсолютно черного тела;

2.средства измерения – переносного радиационного пирометра 3;

3.рулетки для измерения расстояния от печи до места расположения ра-

диационного пирометра;

4. контрольного термоэлектрического термометра (термопары) 4 в ком-

плекте с вторичным показывающим прибором 5. Показания вторичного прибо-

ра термопары принимают в условиях лабораторного эксперимента как действи-

тельную температуру объекта измерений.

Рис. 3. Схема лабораторной установки:

1 – лабораторная печь; 2 – перегородка с диафрагмой; 3 – радиационный пирометр; 4 – тер-

моэлектрический преобразователь (термопара);

5 – индикатор действительной температуры

10