§ 5. Пірометри
Для вимірювання температур від 400 до 4000оС використовують пірометри випромінювання. Принцип роботи цих приладів заснований на спроможності нагрітого тіла випромінювати енергію у вигляді світлових і теплових променів. З підвищенням температури тіла інтенсивність випромінювання зростає, крім того, з'являються випромінювання різноманітної довжини хвиль. При збільшенні температури більша частина енергії випромінюється з меншою довжиною хвилі. Еталоном максимального випромінювання і променепоглинання є абсолютно чорне тіло. Проте жодний із матеріалів у природі не має такої спроможності. Випромінювальна спроможність абсолютно чорного тіла дорівнює повній кількості енергії, що випромінюється з 1м2 поверхні за 1с (Вт/м2). На рис. 10,б показана модель абсолютно чорного тіла. Якщо навіть внутрішня поверхня тіла має не дуже великий коефіцієнт поглинання, то випромінювання все одно практично цілком поглинеться внутрішньою поверхнею в результаті багатократних внутрішніх відбитків.
Рис. 10. Пірометр ФЕП-4:
а - схема пірометра, б - модель абсолютно чорного тіла;
1 - лінза об'єктива, 2 - діафрагма, 3 - дзеркало, 4 - лампа зворотного зв'язку, 5 - світофільтр, 6 - окуляр, 7 - фотоелемент, 8 - підсилювач, 9 – вихідний каскад, 10 - калібрований опір, 11 - потенціометр, 12 - об'єкт виміру температури.
Відповідно до закону Стефана—Больцмана, інтегральна випромінювальна спроможність абсолютно чорного тіла пропорційна четвертому ступеню його абсолютної температури: Т=Т4, де Т - інтегральна випромінювальна спроможність абсолютно чорного тіла, - універсальна стала, Т - абсолютна температура.
За допомогою пірометрів по яскравості випромінювання визначають температуру нагрітого тіла. Градуюють пірометри по інтенсивності випромінювання штучного чорного тіла. Пірометри випускають двох типів: оптичні і радіаційні.
Пірометри, засновані на яскравому методі вимірювання, називаються оптичними або яскравими.
Пірометри, що використовують радіаційний метод вимірювання температури, називаються радіаційними або пірометрами повного випромінювання.
До оптичних пірометрів відносяться прилади ОППИР і ФЕП-4, що є вимірювачами одноколірного монохроматичного випромінювання.
Принцип дії оптичного пірометра ОППИР заснований на порівнянні через світофільтр яскравості нагрітого об'єкта і яскравості розпеченої нитки фотометричної лампи накалювання. Світловий фільтр пропускає випромінювання визначеної довжини хвилі. Прилад ОППИР дозволяє вимірювати температуру від 800 до 60000С. Основна похибка виміру 4-8%.
Принцип дії фотоелектричного пірометра ФЕП-4 (рис. 10, а) полягає в тому, що випромінювання від об'єкта виміру 12 i разом із випромінюванням від еталонної лампи 4 у противофазу потрапляє на фотоелемент 7. Різниця цих світлових потоків посилюється підсилювачем 8 і подається на вихідний каскад 9, навантаженням якого являється еталонна лампа накалювання 4, послідовно з якою установлений калібрований опір 10. Падіння напруги на каліброваному опорі вимірюється електронним потенціометром 11, шкала якого відградуйована в одиницях вимірювання температури.
Пірометри випускають на межі вимірювання температури від 500 до 4000 °С. Основна похибка не перевищує ± 1 % при вимірюванні температури не вище 2000 °С і 1,5 % - при температурі понад 2000 °С.
Радіаційний пірометр РАПІР є вимірювачем повного випромінювання і призначений для вимірювання температур у діапазоні 100-2500°С. Основним елементом приладу є телескоп ТЕРА-50 (рис. 11) із термобатареєю, що перетворює теплове випромінювання тіла в термо-е.р.с., що вимірюється вторинним приладом.
В залежності від діапазону температури, що вимірюється випускається чотири типи телескопів ТЕРА-50. Основна похибка виміру складає від 8 до 30 %.
Чутливим елементом телескопа ТЕРА-50 є термобатарея, що складається з десятьох послідовно сполучених термопар типу хромель‑алюмель. При такому з'єднанні загальна термо-е.р.с. батареї дорівнює сумі термо-е.р.с. складових її елементів, що значно підвищує чутливість приладу.
Рис. 11. Загальний вид телескопа ТЕРА-50: 1- лінза окуляра, 2 - корпус, 3 - термобатарея, 4 - фланець, 5 - лінза об'єктива, 6 - діафрагма, 7 - затискачі для підключення вимірювального приладу
При градуйовках пірометрів встановлюється залежність між температурою об'єкта вимірювання і напругою термобатареї приймача.
Для усунення похибки вимірювання від температури вільних кінців термопар, у радіаційних пірометрах використовують компенсуючі пристрої.
Для компенсації температури до 100оС термобатарею шунтують мідним або нікелевим дротом. Для компенсації температури до 200°С частина світлового потоку променів перекривається біметалічними пластинами.
Пристрої, що компенсуються , монтують безпосередньо в телескопі і знаходяться при температурі, рівній температурі вільних кінців термобатареї.
При вимірюванні телескоп розташовують на відстані 1м від об'єкта вимірювання і наводять його на нього через лінзу окуляра.
Для охорони приладу від механічних ушкоджень, пилюки, дії високих температур, викиду полум'я застосовується комплект захисної апаратури, в який входять вузли повітряного і водяного охолодження телескопа.
Безпосередньо оптичні системи телескопів для вимірювання температури в інтервалі 100-500°С виконуються з флюориту або фтористого лиття, для температури 400-2000оС - із кварцового скла, для температури 900‑3000°С - з оптичного скла типу К-8.
Портативний пірометр ПП-1 призначений для безконтактного виміру температури поверхонь твердих (сипучих) тіл і води по їх власному тепловому випромінюванню. При цьому розміри досліджуваної поверхні об'єкта визначаються кутовим полем зору пірометра. Пірометри застосовуються для контролю стану об'єктів і технологічних процесів у різних галузях промисловості, а також при проведенні наукових досліджень.
У залежності від виконання діапазон вимірюваних температур складає від мінус 20 до 400гр. С, від 100 до 1200гр. С і від 400 до 2000гр. С, показник візування відповідно 1:10, 1:15, 1:30. Пірометр має невеликі габаритні розміри (98*57*120 мм), невеликий споживаний струм (близько 10 мА). Середній час безперервної роботи без заміни батареї харчування (елемент “Крона”) складає 48-72 години. Завдання випромінюючої здатності об'єкта виробляється плавно від 0.1 до 1 за допомогою потенціометра. У пірометрі встановлюється лазерний приціл і економічна імпульсна схема перетворення напруги, що дозволяє приладові зберігати працездатність при розряді батареї до 3.5-4В. Основна приведена погрішність виміру не перевищує 2%. Для виміру температури досить натиснути кнопку включення живлення, установити випромінюючу здатність досліджуваного об'єкта і направити лазерний випромінювач пірометра на потрібну точку. Через 2-3 секунди на цифровому дисплеї з'явиться значення температури об'єкта в градусах Цельсія. При роботі в умовах поганої освітленості необхідно включити підсвічування дисплея.
Стаціонарний пірометр СТ-1 призначений для перетворення інфрачервоного випромінювання спектрального діапазону 2,5-5 мкм нагрітих поверхонь в електричний сигнал постійного струму 0-5 мА (4-20 мА) з метою безконтактного виміру температури поверхонь твердих і сипучих тіл, газових струменів, води з діапазоном випромінювальної здатності від 0,1 до 1 в сумарному діапазоні від 150 до 2000гр. С. Пірометри цієї серії розроблені для контролю різних виробничих процесів, для довгострокової роботи в системах регулювання й АСУТП. Пірометри за вимогою замовника можуть комплектуватися яким-небудь приладом, що показує.
Пірометри випускаються в чотирьох виконаннях у залежності від діапазону вимірюваних температур і показника візування. Конструктивно пірометр виконаний у виді труби з розташованими в ній діафрагмою, модулятором, приймачем випромінювання, і друкованими платами мікропроцесорного вузла лінеаризації. Підключення пірометра до джерела харчування (30 +/- 0,5 В) і вимірювального ланцюга виробляється за допомогою роз’єму, розташованого на тильній стороні перетворювача. Тут же розташований отвір, через який здійснюється доступ до шліца резистора корекції на випромінювальну здатність об'єкта. Пірометр підключається до електричних ланцюгів, встановлюється в монтажну арматуру і наводиться на об'єкт за допомогою регулювальних пазів в арматурі. Обертанням шліца резистора установлюється випромінювальна здатність об'єкта, зчитування результатів вимірів виробляється з вторинного приладу (наприклад Щ300). Прилад порохозахищеного виконання з захистом від кидків полум'я, робочий діапазон температур навколишнього середовища від +5 до +50гр. С
Ручний інфрачервоний пірометр серії М120. Діапазон вимірюваних температур від -32°С до 900°С. Можливість обчислення середнього значення температури з фіксацією min і max. Звукові сигналізатори перевищення встановлених min і max значень температури. Мінімальний діаметр вимірюваної плями 2 мм.