2.7. Пирометры излучения

Принцип действия этих пирометров основан на измерении теплового излучения нагретых тел.

Основными преимуществами этого типа приборов являются: бесконтактность измерений и возможность контроля высоких (до 4000 °С) температур.

В зависимости от температуры нагретое тело излучает энергию в виде волн различной длины. При температурах до 500 °С тела испускают невидимые инфракрасные лучи. С повышением температуры цвет изменяется от тёмно-красного до белого.

Зависимость излучаемой энергии от температуры выражается законом Стефана –Больцмана:

,

где – постоянная, Втм^-2К^-4 .

Распределение энергетической светимости чёрного тела по спектру выражается формулой Планка:

,

где – энергия, соответствующая длине волны ;

– постоянная излучения (первая), ( – постоянная Планка, – скорость света);

– вторая постоянная , ( – число Авогадро, – универсальная газовая постоянная).

Для температур до 3000 °С можно воспользоваться формулой Вина:

.

Однако излучение реальных тел отличается от излучения абсолютно черного тела. Для установления истинной температуры тела вносятся поправки.

Действительная температура

,

г де – радиационная кажущаяся температура, измеренная радиационным пирометром;

– степень черноты тела (излучательная способность).

Для реальных тел , поэтому температура, измеряемая пирометром, всегда меньше истинной.

Для вычисления действительной температуры физического тела по яркостной (кажущейся) температуре , измеренной оптическим пирометром, пользуются выражением:

,

где – степень черноты тела для данной длины волны.

По принципу действия пирометрические термометры делятся на оптические, цветовые и радиационные.

Оптические пирометры (рис. 2.7.1) основаны на сравнении яркости монохроматического излучения тела и эталонной нити лампы (монохроматический пирометр с исчезающей нитью). С помощью реостата добиваются одинаковой яркости объекта и нити. Отсчёт показаний производится по микроамперметру. Для измерения температуры в топках печей применяют пирометры типа ОППИР с диапазоном 800-2000 °С.

Длина волны 0,65 мкм. Другим типом оптических пирометров являются фотоэлектрические (рис. 2.7.1).

На фотоэлемент попеременно поступает излучение от нагретого тела и лампы в виде синусоидальных напряжений, сдвинутых по фазе на 180°. На сопротивлении создается синусоидальное напряжение, пропорциональное разности излучений, поступающих от нагретого тела и лампы. Оно усиливается и через фазочувствительный детектор (ФЧД) подаётся на лампу (схема с глубокой отрицательной обратной связью). Пределы измерений 800–4000 С. Основная погрешность 1 % от верхнего предела измерения. В качестве вторичного прибора используется потенциометр. В качестве примера фотоэлектрического пирометра можно привести прибор типа ФЭП с диапазоном измерений 500–900, 600–1000 и 800–1300 °С.

Рис. 2.7.2

При повышении температуры нагретого тела максимум излучения (рис. 2.7.1) смещается в область меньших длин волн, что приводит к постоянному изменению цвета и возрастанию его яркости. Это явление положено в основу действия цветовых пирометров.

Спектральное распределение энергии излучения происходит согласно закону смещения Вина:

мК,

где – длина волны, соответствующая максимальному излучению при температуре .

Таким образом, по положению максимума можно определить абсолютную температуру тела.

Под цветовой температурой понимается температура абсолютно чёрного тела, при которой отношение интенсивностей излучения при длинах волн и равно отношению соответствующих интенсивностей излучения физического тела, т.е.

Соотношение между цветовой температурой реального тела и его истинной температурой Т

.

Для абсолютно черных тел .

В цветовых промышленных пирометрах определяется отношение интенсивностей излучения реального тела при двух длинах волн и (красный и синий цвет), т.е. показания пирометра являются функцией .

С труктурная схема цветового пирометра (рис. 2.7.4) включает в себя объектив 1, через который излучение от объекта падает на фотоэлемент 3.

Перед фотоэлементом 3 установлен обтюратор 2 с двумя светофильтрами: красным и синим. Таким образом, на фотоэлемент попеременно направляется излучение красного и синего света. Импульсы от фотоэлемента усиливаются усилителем 4, преобразуются логическим логарифмическим устройством 5. Выходной сигнал измеряется милливольтметром 6.

Пределы измерения пирометра 1400-2500 °С. Погрешность измерений ±1 % от верхнего предела измерений.

В радиационных пирометрах измеряется полное излучение нагретого тела как в видимой, так и в невидимой частях спектра.

Комплект радиационного пирометра состоит из термоприёмника (телескопа) и вторичного прибора (милливольтметра или потенциометра). Энергия теплового излучения от нагретого тела 1 (рис. 2.7.5) фокусируется с помощью сферического зеркала 2 на рабочих (горячих) спаях термоэлектрических преобразователей З, включенных в термобатарею. Напряжение, развиваемое батареей термопар, подается на милливольтметр или потенциометр. Диапазон измерения температур 100 – 4000 С. Радиационные термометры, в которых в качестве чувствительного элемента используются термометры сопротивления, могут измерять сравнительно низкие температуры (от –30 °С).

Передаточная функция таких термоприемников имеет вид:

, где с.

Рис. 2.7.5

В качестве примера для промышленного использования можно назвать радиационный пирометр типа ТЕРА-50 с диапазоном измерений 400–1500 °С.