Информационные технологии и автоматизация в металлургии. Лабораторный практикум

Пирометры частичного излучения градуируются по излучению абсолютно черного тела. Однако у реальных тел интенсивность из- лучения Jλ всегда меньше, чем у абсолютно черного тела (ελ < 1).

Монохроматическая степень черноты ελ для одного и того же ма- териала может значительно изменяться в зависимости от содержания различных примесей, состояния поверхности тела, степени ее шеро- ховатости и окисленности, а также от температуры и других факто- ров. Для примера ниже приведены значения ελ (λ = 0,65 мкм) для не- которых материалов металлургического производства.

Непостоянство ελ, особенно для расплавленных металлов, сплавов и шлаков, является одной из основных причин возникновения значи- тельных погрешностей при измерении температуры пирометрами частичного излучения.

При измерении температуры реальных серых тел пирометром частичного излучения, градуированным по излучению абсолютно черного тела, определяется не истинная температура Т, а кажущаяся, называемая яркостной температурой Тя, которая всегда меньше ис- тинной.

Очевидно, что яркостная температура Тя есть температура абсо- лютно черного тела, которое имеет интенсивность излучения, рав-

21

ную интенсивности излучения реального тела при истинной темпе- ратуре Т. Учитывая это, в соответствии с законом Вина получим:

Откуда после логарифмирования находим связь между яркостной и истинной температурами в виде

Из уравнения (2.8) по величине Тя определяется истинная темпе- ратура Τ с учетом реальных значений λ и ελ. Величина λ определяется цветом светофильтра. Монохроматическая степень черноты £λ нахо- дится по справочникам.

2. Измерение полной мощности излучения с помощью радиаци- онных пирометров – пирометров полного излучения. Градуировка пирометров полного излучения также производится по излучению абсолютно черного тела, а измеряемая ими температура реального тела называется радиационной Τp. При этой температуре полная мощность излучения абсолютно черного тела равна полной мощно- сти излучения реального тела при истинной температуре Τ или в со- ответствии с законом Стефана-Больцмана

где σ – постоянная Больцмана. Откуда находим:

Радиационная температура Τp. всегда меньше истинной Т, так как степень черноты ε < 1. Значения ε приводятся в справочниках. Так как радиационный пирометр воспринимает энергию во всем спектре излучения, то на его показания влияют пыль и сажа, содержащиеся в воздухе, а также углекислый газ и водяные пары, полосы поглоще- ния которых достаточно интенсивны в инфракрасной области. На показания же пирометров частичного излучения эти газы как оптиче- ски прозрачные не влияют. Измерение отношения интенсивностей монохроматического излучения при двух длинах волн λ1 и λ3 с по- мощью цветовых пирометров.

22

Этот метод измерения основан на том, что при повышении темпе- ратуры максимум распределения энергии в спектре по закону Вина смещается в сторону более коротких волн. Зависимость длины волны λmax, соответствующей максимуму излучаемой энергии, от темпера- туры определяется законом смещения Вина. Длины волн λχ и λ2 вы- бираются обычно в красной и синей или в красной и зеленой облас- тях спектра.

Температура, измеренная таким образом, называется цветовой температурой Тц. Она связана с истинной температурой Τ соотноше- нием, которое легко находится из уравнения Вина (2.2):

где ελ1 , ελ2 – монохроматические степени черноты тела для длин волн λ1 и λ2.

Из приведенного выражения следует, что для реальных тел, у ко- торых монохроматические степени черноты не зависят от длины волны, температуры Тц и Τ совпадают.

Сравнивая различные методы бесконтактного измерения темпера- туры нагретых тел по тепловому излучению, необходимо отметить следующее:

–методы, основанные на измерениях яркостной и радиационной температур, имеют общие недостатки, связанные с возможным появ- лением больших погрешностей, когда степень черноты реального тела значительно отличается от единицы;

–при измерении температуры цветовыми пирометрами погреш- ность снижается до минимума, так как отношение монохроматиче- ских степеней черноты при разных длинах волн в меньшей степени зависит от состояния источника излучения.

Оптические и фотоэлектрические пирометры

Принцип действия оптических и фотоэлектрических пирометров основан на сравнении интенсивностей монохроматического излуче- ния нагретого тела и эталонной пирометрической лампы накаливания.

В оптических пирометрах типа ОППИР-017 и «Проминь» сравне- ние интенсивностей излучения производится глазом наблюдателя, а в фотоэлектрических пирометрах типа ФЭП с помощью фотоэлемента.

23

Для получения монохроматического излучения при определении яркостной температуры в соответствии с законами Планка и Вина используются стеклянные светофильтры с узкой спектральной поло- сой пропускания. Подбирают такие стекла, которые имеют резкую границу пропускания вблизи правого края видимого спектра. Таким свойством обладает красное стекло типа. КС-15 толщиной 2 мм. Этот светофильтр пропускает излучение длиной волны 0,63...0,68 мкм.

Принципиальная схема оптического пирометра типа ОППИР-017 приведена на рис. 2.1. Он состоит из объектива 1, окуляра 4, красно- го светофильтра 5, пирометрической лампы 3, визирной трубки 2, реостата 6, затемняющего светофильтра 7, измерительного прибора 8 (милливольтметра) и источника тока 9.

Рис. 2.1. Схема оптического пирометра ОППИР-017

С помощью объектива и окуляра получают четкое изображение нити накаливания на фоне объекта. Далее, изменяя силу тока в пиро- метрической лампе, добиваются совпадения интенсивностей излуче- ния объекта и нити накаливания, нить как бы «исчезает» на фоне объекта. При этом красный светофильтр должен быть обязательно введен в поле зрения. Отсчет температуры производится по шкале милливольтметра, проградуированной в градусах.

Пирометр ОППИР-017 в зависимости от модификации может иметь три диапазона измеряемых температур: 800...2000 °С с под-

диапазонами 800...1400 °С и 1200...2000 °С; 1200...3200 °С с поддиа- пазонами 1200...2000 °С и 1800...3200 °С; 1500...6000 °С с поддиапа-

зонами 1500...2500 °С и 2200...6000 °С. Основная допустимая по- грешность при измерении температуры абсолютно черного тела со- ставляет около 1,5 %. Переход с меньшего на больший диапазон осу- ществляется путем введения в поле зрения затемняющего свето-

24

фильтра, который поглощает часть энергии излучения и исключает перегрев вольфрамовой нити лампы накаливания свыше 1400 °С, при которой происходит изменение ее характеристик. При измерении температур свыше 1800 °С вместо затемняющего светофильтра при- меняется специальная насадка на объектив с поглощающим фильт- ром большой плотности. Работает ОППИР-017 от источника питания постоянного тока с напряжением 2...2,6 В.

Схема оптического пирометра типа «Проминь» показана на рис. 2.2. Измерительная схема выполнена в виде уравновешенного моста постоянного тока с напряжением питания 6 В, в одно из плеч которого включена пирометрическая лампа Л. В измерительную диа- гональ моста включен нуль-прибор. При измерении температуры на мост подается напряжение. Затем с помощью реостата R добиваются, чтобы нить накала лампы слилась с фоном объекта.

Рис. 2.2. Схема оптического пирометра типа «Проминь»: 1 – шкала; 2 – неподвижный указатель; 3 – ручка реостата

Одновременно с реостатом R перемещается механически связан- ный с ним ползунок реохорда Rp, так что в момент исчезновения ни- ти мост находится достаточно близко к равновесному состоянию. Полное уравновешивание моста осуществляется после нажатия кнопки К1, которая подключает нуль-прибор НП в измерительную диагональ и разрывает механическую связь между реостатом R и ре- охордом Rp. Затем ручкой реостата нуль-прибор устанавливается на нулевую отметку.* Отсчет температуры производится по одной из трех шкал пирометра: 800...1400; 1200...2000; 1800...5000 °С. Переход

25

с одной шкалы на другую осуществляется с помощью двух затем- няющих светофильтров.

Основная допустимая погрешность так же, как и у ОППИР-017, составляет 1,5 %. В оптических пирометрах ОППИР-017 и «Про- минь» чувствительным элементом является глаз человека, что ис- ключает возможность автоматической записи температуры и приме- нения их в системах автоматического регулирования. Этот недоста- ток отсутствует у фотоэлектрических пирометров, в которых фото- ток, возникающий в фотоэлементе, пропорционален световому пото- ку. Фотоэлектрические пирометры типа ФЭП-4 применяются для измерения температуры от 500 до 4000 °С. В пирометрах для изме- рения температуры менее 800 °С устанавливаются кислородно- цезиевые фотоэлементы ЦВ-3, чувствительные к излучению с дли- ной волны от 0,4 до 1,2 мкм. Эффективная длина волны находится в пределах 0,9...1,2 мкм, поэтому показания этих приборов несколько отличаются от показаний оптических пирометров.

В фотоэлектрических пирометрах с нижним пределом измерения 800 °С и выше используются вакуумные сурьмяно-цезиевые фото- элементы типа СЦВ-51, чувствительные только к излучению види- мой части спектра с длиной волны не более 0,72 мкм. В сочетании с красным светофильтром фотоэлемент реагирует на излучение с дли- ной волны от 0,6 до 0,72 мкм. Эффективная длина волны равна 0,65 мкм, как и у оптических пирометров. Это обеспечивает сравни- мость результатов измерений фотоэлектрическими и оптическими пирометрами.

Принципиальная схема ФЭП-4 приведена на рис. 2.3. Объектив 2, диафрагма 3 создают в плоскости одного из отверстий диафрагмы 5 перед фотоэлементом 7 изображение нагретого излучением тела 1. Минимальный размер излучателя определяется показателем визиро- вания, т. е. отношением диаметра круга, вписанного в проекцию кон- тура излучателя на плоскость, перпендикулярную оптической оси телескопа, к расстоянию от излучателя до объектива пирометра.

Через отверстие 10 в диафрагме 5 на фотоэлемент направляется световой поток от эталонной лампы накаливания 9, через которую протекает ток выходного каскада электронного усилителя ЭУ.

Таким образом осуществляется отрицательная обратная связь по световому потоку. Перед фотоэлементом 7 установлена вибрирую- щая заслонка 4, которая с помощью электромагнитного вибратора 8 модулирует в противофазе с частотой 50 Гц световые потоки от из- лучателя и лампы обратной связи. Оба световых потока, попадаю-

26

щих на фотоэлемент через красный светофильтр 6, изменяются в противофазе по синусоидальному» закону, что обеспечивается спе- циальной конфигурацией заслонки и ее отверстий. При равенстве световых потоков излучателя f0 и лампы обратной связи foc суммар- ный поток не содержит переменной составляющей. Значит, и в фото- токе отсутствует переменная составляющая.

При неравенстве потоков f0 и foc в цепи фотоэлемента возникает переменная, составляющая, совпадающая по фазе с фототоком от излучателя или с фототоком от лампы обратной связи. На усилитель ЭУ подается переменное напряжение, амплитуда и фаза которого зависят от разности световых потоков f0 и fос. Усиленный по мощно- сти выходной сигнал фазочувствительного усилителя подается на лампу обратной связи, включенную в анодную цепь выходного кас- када усилителя. Ток накала лампы изменяется до тех пор, пока ее интенсивность излучения не сравняется с интенсивностью излучате- ля и переменная составляющая фототока не станет равной нулю.

Рис. 2.3. Схема фотоэлектрического пирометра ФЭП

Таким образом сила тока накала лампы однозначно связана с яр- костной температурой излучателя. Последовательно в цепь лампы обратной связи включен калиброванный резистор R, падение напря- жения на котором пропорционально току лампы и, следовательно, измеряемой температуре излучателя. Это падение напряжения изме- ряется быстродействующим автоматическим потенциометром БАП.

Пирометры ФЭП-4 снабжаются объективами с показателями ви- зирования 1/22; 1/28; 1/36 и 1/50. Основная допустимая погрешность измерения пирометров с одной шкалой составляет 1 % от диапазона шкалы, а для приборов с двумя шкалами 2...2,5 %.

27

Цветовые пирометры

Вцветовых пирометрах определяется отношение интенсивностей излучения нагретого тела для двух заранее выбранных длин волн λ1 и λ2. Это отношение для каждой температуры различно и может ис- пользоваться для ее измерения. В большинстве случаев у реальных физических тел значения монохроматической степени черноты ελ практически одинаковы для всех длин волн и кривые Jλ – f(λ) при раз- личных температурах подобны аналогичным кривым для абсолютно- черного тела, поэтому поправка на неполноту излучения не требуется, что является основным преимуществом цветового пирометра.

Вбольшинстве автоматических цветовых пирометров измеряется логарифм отношения интенсивностей излучения на двух участках спектра красном и синем. Блок-схема цветового пирометра показана на рис. 2.4. Излучение от нагретого тела 1 с помощью оптической системы направляется на фотоэлемент 2. В фокусе объектива уста- новлен обтюратор в виде диска, вращаемого синхронным двигателем

счастотой 5 Гц. Диск имеет два отверстия, в которых установлены красный и синий светофильтры. При вращении обтюратора на фото- элемент поочередно попадают лучи то красной, то синей эффектив- ной длины волны. Поглощающие стекла, также устанавливаемые в обтюраторе, обеспечивают величину освещенности фотоэлемента в заданных пределах.

Рис. 2.4. Блок-схема цветового пирометра

Под воздействием световых импульсов на нагрузочном резисторе фотоэлемента появляются импульсы напряжения, пропорциональные интенсивности излучения в красном и синем участках спектра. Эти импульсы усиливаются электронным усилителем 3. С выхода усили- теля электрические сигналы поступают в измерительную схему 4, содержащую электронные устройства для формирования экспонен- циальных импульсов и измерения логарифма отношения интенсив- ностей излучений красного и синего участков спектра.

С помощью коммутатора 5, работающего синхронно с обтюрато- ром, прямоугольные импульсы, соответствующие интенсивностям излучения через красный и синий светофильтры, подаются в проти-

28

вофазе на фильтр 6. Постоянная составляющая тока на его выходе, определяемая разностью импульсов, измеряется автоматическим электронным потенциометром 7. Показания пирометра линейно свя- заны с обратным значением цветовой температуры нагретого тела.

Таким образом, цветовой пирометр измеряет цветовую темпера- туру по отношению монохроматических интенсивностей для двух длин волн видимого спектра. Стабильность характеристик фотоэле- мента обеспечивается его термостатированием. Температура фото- элемента автоматически поддерживается на уровне 40 °С с точно-

стью ±0,5 °С.

Промышленностью серийно выпускаются цветовые пирометры «Веселка-1-3» с диапазоном измерения 1400...2800 °С, «Спектро-

пир-4» от 1200 до 1700 °С, «Спектропир-6» от 900 до 2200 °С,

имеющие поддиапазоны по 200...300 °С, для каждого из которых ис- пользуется свой обтюратор со специальными комплектами цветовых и поглощающих светофильтров. Основная погрешность в интервале температур 1400...2800 °С при нормальных условиях работы не пре- вышает ± 0,6 % от конечного значения шкалы прибора.

Радиационные пирометры

Радиационные пирометры измеряют температуру нагретых тел по интегральному излучению на всех длинах волн от 0 до ∞.

В качестве чувствительного элемента радиационного пирометра используется термобатарея. Тепловой поток направляется на рабочие спаи термопар термобатареи, по степени нагрева которых определя- ют температуру излучателя.

Для концентрации излучения от нагретого тела на термобатарею в рефракторных пирометрах применяют собирательную линзу – объек- тив, а в рефлекторных – вогнутое зеркало. Наибольшее распростране- ние в металлургии получили радиационные пирометры рефракторно- го типа. Рефлекторные пирометры используют лишь для бесконтакт- ного измерения температур от 20 до 300 °С, когда максимум энергии излучения значительно смещен в сторону длинных волн.

На рис. 2.5, а показан телескоп ТЕРА-50 наиболее распространен- ного радиационного пирометра «Рапир», предназначенного для из- мерения температуры в пределах 400...2500 °С. В алюминиевом кор- пусе 1 расположены линза объектива 10, окуляр с защитным стек- лом 6, термобатарея 4, диафрагма 9, медная или никелевая катуш- ка 3. Тепловой поток через линзу объектива и диафрагму 9 попадает

29

в конусообразную камеру 8 с зачерненными ступенчатыми стенками для поглощения отраженных лучей, в центре которой установлена звездообразная термобатарея 4, состоящая из десяти последователь- но соединенных хромель-копелевых или нихром-константановых термопар (рис. 2.5, б).

Рис. 2.5. Телескоп радиационного пирометра РАПИР: а – конструкция телескопа; б – термобатарея пирометра

Рабочие спаи термопар 11 выполнены в виде тонких зачерненных пластинок треугольной формы, наклеенных на слюдяную пластинку. Холодные спаи приварены к металлическим пластинам 12, укреп- ленным на слюдяном кольце 13, которое зажато между двумя такими же кольцами в корпусе прибора, поэтому температура холодных спа- ев равна температуре корпуса телескопа. Под действием теплового потока горячие спаи термобатареи нагреваются, возникающая в ре- зультате этого т. э. д. с. подается на измерительный прибор, подклю- ченный к телескопу с помощью зажимов 5 и 7 (рис. 2.5, а). Чувстви- тельность рирометра регулируется перемещением диафрагмы 9 при помощи зубчатого барабана 2.

Развиваемая термобатареей т. э. д. с. в этом случае зависит от температуры корпуса, который в процессе измерения может нагре- ваться до 100 °С, а в отдельных случаях и до 200 °С. Для автомати- ческого введения поправки на изменение температуры холодных спаев термобатареи используется медная или никелевая компенсаци- онная катушка, устанавливаемая в корпусе телескопа и подключае- мая параллельно термобатарее. Таким образом, в зависимости от т. э. д. с. термобатареи Ε в цепи протекает ток

30