Устройство и работа радиационных пирометров

В общем случае радиационный пирометр состоит из следующих основных элементов: телескопа, приемника из­лучения и вторичного прибора.

Телескоп с помощью линзы объектива или вогнутого зеркала обеспечивает фокусирование излучения от нагре­того тела на приемник. В качестве приемника излучения используются термопары, термобатареи, болометры (ме­таллические и полупроводниковые), биметаллические спи­рали и др. Наибольшее распространение получили пиро­метры с термобатареями, представляющими несколько по­следовательно соединенных термопар.

Излучение, будучи сфокусированным на рабочих спаях термопар, нагревает их, в результате чего развивается тэдс, измеряемая с помощью вторичных приборов. К тер­мобатареям как приемникам излучения в пирометрах предъявляются следующие требования: они должны быть малогабаритными, развивать возможно большую тэдс, обеспечивать малую инерционность. Для повышения тэдс увеличивают площадь поверхности рабочих спаев термо­пар, расплющивая термоэлектроны или припаивая к ним тонкие пластинки, а для повышения коэффициента погло­щении рабочие концы термопар чернят

Вторичными приборами в радиационных пирометрах служат пирометрические милливольтметры и электронные потенциометры, шкалы которых проградуированы в гра­дусах температуры получения (яркостная, цветовая и ра­диационная).

Количество лучистой энергии, попадающей на объек­тив телескопа, определяется не только температурой конт­ролируемого тела, но и его размерами, а также расстоя­нием между ним и телескопом. Чтобы обеспечить незави­симость показаний от размеров объекта и степени его удаленности, в телескопах предусматривается диафрагма поля зрения, с помощью которой ограничивается телесный угол визирования. В зависимости от этого угла телескопы радиационных пирометров разделяются на широкоуголь­ные, узкоугольные и остроугольные. При ограничении уг­ла визирования на термобатарею поступает излучение только с небольшого участка нагретого тела, за пределами которого излучение не фиксируется, чем и обеспечивается независимость показаний от размеров излучателя. С уве­личением расстояния между прибором и объектом изме­рения площадь его поверхности, ограниченной полем ви­зирования, возрастает примерно пропорционально квадра­ту этого расстояния, а количество лучистой энергии, попа­дающей на приемник с единицы площади нагретой поверх­ности измеряемого тела, уменьшается пропорционально квадрату расстояния между пирометром и контролируе­мым объектом. Суммарное влияние этих факторов должно обеспечить независимость показаний прибора от степени удаленности объекта, хотя на практике полная компенса­ция не достигается, что обусловливает наличие дополни­тельных погрешностей.

При измерении быстро меняющихся температур необ­ходимо, чтобы приемник обладал возможно меньшей инер­ционностью. Термическая инерционность радиационных пи­рометров оценивается интервалом времени с момента облучения телескопа, имеющего температуру 20° С, до того момента, когда развиваемая приемником тэдс достигает значения, на 2% отличающегося от тэдс, соответствую­щей измеряемой температуре. В зависимости от этого те­лескопы радиационных пирометров согласно ГОСТ 6923— 68 разделяются на малоинерционные (инерционность ме­нее 0,5 с); со средней инерционностью (от 0,5 до 2 с); с большой инерционностью (свыше 2с).

Наименьшая инерционность может быть достигнута в телескопах, у которых в качестве приемников излучения используются полупроводниковые болометры.

Радиационные пирометры, включая и вторичные при­боры, должны быть взаимозаменяемы по их градуировочной характеристике. Ус­тановлены четыре градуировочные таблицы: гр. РК-15 (от 400 до 1500 °С); гр. РК-20 (от 600 до 2000 °С); rp. PC-20 (от 900 до 2000 °С) и гр. РС-25 (от 1200 до 2500°С). Кроме того, существует широкоугольный объектив градуировки Р-5 с оптикой из фтористого лития для измерения температур в инфракрасной области (от 100 до 500 °С). В настоящее время разработано много кон­струкций радиационных пирометров, отличающихся по ря­ду признаков, основным из которых является интервал температур, для измерения которых предназначен прибор.

На рис. 3.2 показано конструктивное исполнение узко­угольного телескопа ТЕРА-50. Его основными частями яв­ляются: массивный металлический корпус 1 с диафраг­мой 2; объектив, состоящий из стеклянной или кварцевой линзы 3, фокусирующей изображение контролируемого объекта на термобатарею 5. На фланец с резьбовой частью навинчивается диафрагма 4, ограничивающая угол визирования телескопа. При градуировке с помощью трубки 10 диафрагму перемещают вдоль резьбового хвостовика, подгоняя тэдс термобатареи до градировочного значения. Вблизи холодных спаев термобатареи помещается термо­резистор 9 из медной проволоки, который уменьшает влия­ние изменений температуры телескопа на его показания.

Рисунок 3.2 – Схема радиационного пирометра

На передней стенке корпуса расположен окуляр, состо­ящий из линзы 8 и защитного стекла 7, которое предохра­няет глаз наблюдателя при большой яркости визируемого объекта. Термобатарея подключается к вторичному при­бору с помощью соединительных проводов 6.

Радиационным пирометрам присущи как методические, так и инструментальные погрешности. Источниками первых являются отличия коэффициента черноты контроли­руемого тела от абсолютно черного, потери лучистой энер­гии в промежуточной среде и зависимость показаний пиро­метра от размеров излучателя и удаленности его от теле­скопа. Из числа инструментальных следует отметить по­грешности, обусловленные отклонением характеристики пирометра от стандартной градуировочной таблицы, от­клонением температуры телескопа от нормальной (+20°С), а также погрешности вторичных приборов.

При контроле температуры тел, близких по своей из­лучающей способности к абсолютно черному телу, основ­ная погрешность измерения температуры с помощью ра­диационных пирометров не превышает 1% от верхнего предела измерения.