1. Измерение интенсивности монохроматического излучения с помощью пирометров частичного излучения оптических и фотоэлектрических.

Из полного спектра излучения тела при помощи специального светофильтра выбирается узкий интервал с заданной длиной волны λ + Δλ. Интенсивность излучения в этом интервале служит мерой температуры тела и определяется непосредственно путем сравнения с интенсивностью излучения эталонного источника.

Пирометры частичного излучения градуируются по излучению абсолютно черного тела. Однако у реальных тел интенсивность излучения J_λ всегда меньше, чем у абсолютно черного тела (ε_λ < 1).

Монохроматическая степень черноты ε_λ для одного и того же материала может значительно изменяться в зависимости от содержания различных примесей, состояния поверхности тела, степени ее шероховатости и окисленности, а также от температуры и других факторов. Для примера ниже приведены значения ε_λ (λ=0,65 мкм) для некоторых материалов металлургического производства

Вольфрам (твердый)	0,43
Медь:
твердая	0,1
жидкая	0,15
окисленная	0,6—0,8
Никель:
твердый	0,36
жидкий	0,37
окисленный	0,96
Алюминий (окисленный)	0,22—0,40
Шлаки (жидкие)	0,53—0,9
Шамот (твердый)	0,7—0,8
Сталь (жидкая)	0,37
Чугун (жидкий):
окисленный	0,70
неокисленный	0,40

Непостоянство ε_λ, особенно для расплавленных металлов, сплавов и шлаков, является одной из основных причин возникновения значительных 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 Т_я, которая всегда меньше истинной.

Очевидно, что яркостная температура Т_я есть температура абсолютно черного тела, которое имеет интенсивность излучения, равную интенсивности излучения реального тела при истинной температуре Т. Учитывая это, в соответствии с законом Вина получим:                       

                                                 (2.7)

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

                                           (2.8)

Из уравнения (2.8) по величине Т_я определяется истинная температура Τ с учетом реальных значений λ и ε_λ. Величина λ определяется цветом светофильтра. Монохроматическая степень черноты £_λ находится по справочникам.

2. Измерение полной мощности излучения с помощью радиационных пирометров — пирометров полного излучения. Градуировка пирометров полного излучения также производится по излучению абсолютно черного тела, а измеряемая ими температура реального тела называется радиационной Τ_p. При этой температуре полная мощность излучения абсолютно черного тела равна полной мощности излучения реального тела при истинной температуре Τ или в соответствии с законом Стефана-Больцмана

(2.9)

где σ - постоянная Больцмана. Откуда находим:

(2.10)

Радиационная температура Τ_p. 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 поглощения которых достаточно интенсивны в инфракрасной области. На показания же пирометров частичного излучения эти газы как оптически прозрачные не влияют. Измерение отношения интенсивностей монохроматического излучения при двух длинах волн λ₁ и λ₃ с помощью цветовых пирометров.

Этот метод измерения основан на том, что при повышении температуры максимум распределения энергии в спектре по закону Вина смещается в сторону более коротких волн. Зависимость длины волны λ_max, соответствующей максимуму излучаемой энергии, от температуры определяется законом смещения Вина. Длины волн λ_χ и λ₂ выбираются обычно в красной и синей или в красной и зеленой областях спектра.

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

(2.11)

где ε_λι, ε_λ2 — монохроматические степени черноты тела для длин волн λ₁ и λ₂.

Из приведенного выражения следует, что для реальных тел, у которых монохроматические степени черноты не зависят от длины волны, температуры Т_ц и Τ совпадают.

Сравнивая различные методы бесконтактного измерения температуры нагретых тел по тепловому излучению, необходимо отметить следующее:

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

при измерении температуры цветовыми пирометрами погрешность снижается до минимума, так как отношение монохроматических 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 излучения нагретого тела и эталонной пирометрической лампы накаливания.

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

Для получения монохроматического излучения при определении яркостной температуры в соответствии с законами Планка и Вина используются стеклянные светофильтры с узкой спектральной полосой 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.1. Он состоит из объектива 1, окуляра 4, красного светофильтра 5, пирометрической лампы 3, визирной трубки 2, реостата 6, затемняющего светофильтра 7, измерительного прибора 8 (милливольтметра) и источника тока 9.

С помощью объектива и окуляра получают четкое изображение нити накаливания на фоне объекта. Далее, изменяя силу тока в пирометрической лампе, добиваются совпадения интенсивностей излучения 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 поддиапазонами 800-1400°С и 1200-2000 °С; 1200-3200 °С с поддиапазонами 1200-2000°С и 1800-3200 °С;

Рис. 1. Схема оптического пирометра ОППИР-017

Рис. 2. Схема оптического пирометра типа «Проминь»:

1 - шкала; 2 - неподвижный указатель; 3 - ручка реостата

1500-6000°С с поддиапазонами 1500-2500°С и 2200-6000°С. Основная допустимая погрешность при измерении температуры абсолютно черного тела составляет около 1,5%. Переход с меньшего на больший диапазон осуществляется путем введения в поле зрения затемняющего светофильтра, 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 применяется специальная насадка на объектив с поглощающим фильтром 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. 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 диагональ 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.

Одновременно с реостатом R перемещается механически связанный с ним ползунок реохорда R_p, так что в момент исчезновения нити 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 реохордом R_p. 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 с одной шкалы на другую осуществляется с помощью двух затемняющих светофильтров.

Основная допустимая погрешность так же, как и у ОППИР-017, составляет 1,5%. В оптических пирометрах ОППИР-017 и «Проминь» чувствительным элементом является глаз человека, что исключает возможность автоматической записи температуры и применения их в системах автоматического регулирования. Этот недостаток отсутствует у фотоэлектрических пирометров, в которых фототок, возникающий в фотоэлементе, пропорционален световому потоку. Фотоэлектрические пирометры типа ФЭП-4 применяются для измерения температуры от 500 до 4000°С. В пирометрах для измерения температуры менее 800 °С устанавливаются кислородно-цезиевые фотоэлементы ЦВ-3, чувствительные к излучению с длиной 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 фотоэлементы типа СЦВ-51, чувствительные только к излучению видимой части спектра с длиной волны не более 0,72 мкм. В сочетании с красным светофильтром фотоэлемент реагирует на излучение с длиной волны от 0,6 до 0,72 мкм. Эффективная длина волны равна 0,65 мкм, как и у оптических пирометров. Это обеспечивает сравнимость результатов измерений фотоэлектрическими и оптическими пирометрами.

Принципиальная схема ФЭП-4 приведена на рис. 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 визирования, т. е. отношением диаметра круга, вписанного в проекцию контура 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 вибрирующая заслонка 4, которая с помощью электромагнитного вибратора 8 модулирует в противофазе с частотой 50 Гц световые потоки от излучателя и лампы обратной связи. Оба световых потока, попадающих на фотоэлемент через красный светофильтр 6, изменяются в противофазе по синусоидальному" закону, что обеспечивается специальной конфигурацией заслонки и ее отверстий. При равенстве световых потоков излучателя f₀ и лампы обратной связи f_oc суммарный поток не содержит' переменной составляющей. Значит, и в фототоке отсутствует переменная составляющая.

При неравенстве потоков f₀ и f_oc 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 f_ос. Усиленный по мощности выходной сигнал фазочувствительного усилителя подается на лампу обратной связи, включенную в анодную цепь выходного каскада усилителя. Ток накала лампы изменяется до тех пор, пока ее интенсивность излучения не сравняется с интенсивностью излучателя и переменная составляющая фототока не станет равной нулю.

Рис. 3. Схема фотоэлектрического пирометра ФЭП

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

Пирометры ФЭП-4 снабжаются объективами с показателями визирования 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%.

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

Рис. 4. Блок-схема цветового пирометра

В большинстве автоматических цветовых пирометров измеряется логарифм отношения интенсивностей излучения на двух участках спектра красном и синем. Блок-схема цветового пирометра показана на рис.4. Излучение от нагретого тела 1 с помощью оптической системы направляется на фотоэлемент 2. В фокусе объектива установлен обтюратор в виде диска, вращаемого синхронным двигателем с частотой 5 Гц. Диск имеет два отверстия, в которых установлены красный й синий светофильтры. При вращении обтюратора на фотоэлемент поочередно попадают лучи то красной, то синей эффективной длины волны. Поглощающие стекла, также устанавливаемые в обтюраторе, обеспечивают величину освещенности фотоэлемента в заданных пределах.

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 усилителя электрические сигналы поступают в измерительную схему 4, содержащую электронные устройства для формирования экспоненциальных импульсов и измерения логарифма отношения интенсивностей излучений красного и синего участков спектра.

С помощью коммутатора 5, работающего синхронно с обтюратором, прямоугольные импульсы, соответствующие интенсивностям излучения через красный и синий светофильтры, подаются в противофазе на фильтр 6. Постоянная составляющая тока на его выходе, определяемая разностью импульсов, измеряется автоматическим электронным потенциометром 7. Показания пирометра линейно связаны с обратным значением цветовой температуры нагретого тела.

Таким образом, цветовой пирометр измеряет цветовую температуру по отношению монохроматических интенсивностей для двух длин волн видимого спектра. Стабильность характеристик фотоэлемента обеспечивается его термостатированием. Температура фотоэлемента автоматически поддерживается на уровне 40 °С с точностью ±0,5 °С.

Промышленностью серийно выпускаются цветовые пирометры «Веселка-1-3» с диапазоном измерения 1400-2800 °С, «Спектропир-4» от 1200 до 1700 °С, «Спектропир-6» от 900 до 2200 °С, имеющие поддиапазоны по 200-300 °С, для каждого из которых используется свой обтюратор со специальными комплектами цветовых и поглощающих светофильтров. Основная погрешность в интервале температур 1400-2800°С при нормальных условиях работы не превышает ± 0,6% от конечного значения шкалы прибора.