Бесконтактное измерение температуры

О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называются пирометрами. Пирометры позволяют измерять температуру в диапазоне от 100 до 6000 °С и выше.

Физические тела характеризуются либо непрерывным спектром излучения (твердые и жидкие вещества), либо избирательным (газы). Участок спектра в интервале длин волн 0,02... 0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому излучению, участок 0,4... 0,76 мкм — видимому излучению, участок 0,76... 400 мкм — инфракрасному излучению. Интегральное излучение — это суммарное излучение, испускаемое телом во всем спектре длин волн.

Монохроматическим называют излучение, испускаемое при определенной длине волны.

На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:

  • • суммарного (полного) излучения, в которых измеряется полная энергия излучения;
  • • частичного излучения (квазимонохроматические), в которых измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;
  • • спектрального распределения, в которых измеряется интенсивность излучения фиксированных участков спектра.

В пирометрах полного излучения измеряется не менее 90% суммарного потока излучения источника. При измерении температуры реального тела пирометры этого типа показывают не действительную, а так называемую радиационную температуру тела. Поэтому эти пирометры называют радиационными. При известном суммарном коэффициенте черноты тела возможен пересчет с радиационной температуры тела на его действительную температуру. Исходя из этого пирометры полного излучения удобно использовать при измерениях разностей температур в неизменных условиях наблюдения в диапазоне от 100... 3500 °С.

В радиационном пирометре (рис. 2.10) лучи нагретого тела поступают на линзу 1, которая направляет их через диафрагму 2 на приемник излучения 3. Приемник излучения состоит из большого числа термопар (термобатарея), горячие спаи которых выполнены в виде секторных тонких пластинок. Сигнал с термопар, соединенных последовательно, подается на отсчетное устройство ОУ. Через окуляр 4 с фильтром 5 производится наведение пирометра на объект измерения.

Пирометры подразделяются на электрические (термобатареи, болометры, тепловые индикаторы, пироэлектрические кристаллы), пневматические и оптические (жидкие кристаллы).

Приемники полного излучения отличаются тем, что их спектральная чувствительность постоянна в широком диапазоне длин

Схема радиационного пирометра

Рис. 2.10. Схема радиационного пирометра:

1 — линза; 2 — диафрагма; 3 — приемник излучения; 4 — окуляр; 5 — фильтр; ОУ — отсчетное устройство

волн (от дальней инфракрасной области до ближней ультрафиолетовой). Для увеличения поглощательной способности чувствительные поверхности приемников излучения окрашивают в черный цвет. Для уменьшения теплоотвода в среду приемник помещают в вакуумиро- ванные или газонаполненные корпуса.

Термобатареи выполняются на основе термопар, соединенных последовательно (до 20 термопар). Их горячие спаи располагаются на узком участке поверхности, на который фиксируется излучение.

Болометры — это термометры сопротивления, изготовленные либо из фольги проводящих материалов, либо из полупроводников (термисторов).

Тепловые быстродействующие индикаторы выполняются в виде тонкослойной термопары или болометра, в которых активный слой имеет тепловой контакт с основанием. Это дает возможность повысить быстродействие. Индикаторы применяются для идентификации мощных сигналов, например лазерного излучения.

Пироэлектрические приемники — это кристаллы с определенным видом симметрии кристаллической решетки, в которых в зависимости от изменения температуры проявляется эффект спонтанной поляризации.

Пирометры полного излучения подразделяются на пирометры с преломляющей оптической системой (рис. 2.11, а) и пирометры с отражающей оптической системой (рис. 2.11,6).

В пирометрах с преломляющей оптической системой излучение от объекта измерения 1 через линзовый объектив 2 и диафрагму 3 поступает на приемник полного излучения 4. Для наводки на объект измерения служит окуляр 6 с дымчатым светофильтром 5 и диафрагмой 7. Отсчетным устройством является милливольтметр 9.

Схема пирометров полного излучения

Рис. 2.11. Схема пирометров полного излучения: а — с преломляющейся оптической системой:

  • 1 — объект измерения; 2 — объектив; 3 и 7 — диафрагма;
  • 4 — приемник полного излучения; 5 — светофильтр; 6 — окуляр;
  • 8 — глаз оператора; 9 — милливольтметр; б — с отражающейся оптической системой: 1 — объект измерения;
  • 2 — полиэтиленовая пленка; 3 — приемник излучения;
  • 4 — диафрагма; 5 — зеркальный объектив; 6 — зрительная труба; 7 — глаз оператора; 8 — милливольтметр

В пирометрах с отражающей оптической системой излучение от объекта измерения 1 попадает на приемник излучения 3 после прохождения через защитную полиэтиленовую пленку 2, диафрагму 4 и зеркальный объектив 5. Для наводки на объект излучения служит зрительная труба 6. Отсчет показаний производится по шкале милливольтметра 8. Полиэтиленовая пленка прозрачна для инфракрасного излучения и служит для защиты оптической системы пирометра от загрязнения потоков воздуха.

Пирометры частичного излучения работают в узком диапазоне волн и называются квазимонохроматическими пирометрами. К данному типу пирометров относятся оптические и фотоэлектрические пирометры. Разновидностями оптических пирометров являются пирометр «с исчезающей нитью», пирометр «с оптическим круговым клином», фотоэлектрические монохроматические пирометры.

На рис. 2.12, <7 изображена схема оптического пирометра «с исчезающей нитью», принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и яркости градуированного источника излучения в определенной длине волны.

На рис. 2.12, а изображение излучателя 1 с линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания 5. Оператор 9через диафрагму 6, линзу окуляра 8, красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы 5. Перемещая движок реостата 12, оператор изменяет силу тока, проходящего

Схема пирометров частичного излучения

Рис. 2.12. Схема пирометров частичного излучения: а — «с исчезающей нитью»: 7 — излучатель; 2 и 3 — линза;

  • 4 и 6 — диафрагма; 5 — нить накаливания; 7 — светофильтр;
  • 8 — линза окуляра; 9 — глаз оператора; 10 — регистрирующий прибор; 11 — источник питания; 12 — реостат; б — фотоэлектрический: 1 — излучатель; 2 — линза; 3 — диафрагма;
  • 4 — окуляр; 5 — светофильтр; 6 — фотоэлемент; 7 и 8 — отверстие;
  • 9 — заслонка; 10 — катушка возбуждения; 11 — якорь;
  • 72 —постоянный магнит; 13 — усилитель; 74 — фазовый детектор;
  • 15 потенциометр; 76 — калибровочное сопротивление; 77 —лампа

через лампу, и добивается уравнивания яркостей нити и излучателя. Момент «исчезания» нити на фоне объекта соответствует равенству яркостей нити и объекта излучения. Регистрирующий прибор 10 фиксирует силу тока, соответствующую этому моменту, и позволяет произвести считывание результата измерения температуры объекта излучения. Красный светофильтр /пропускает область излучения с шириной около 0,1 мкм и с эффективной длиной волны 0,65 мкм.

Пирометр с оптическим круговым клином является модификацией описанного выше. В нем яркостную температуру нити лампы накаливания поддерживают постоянной, уравнивание яркостей осуществляется перемещением оптического клина, пропускающего больше или меньше света от объекта. По положению клина судят о яркостной температуре объекта излучения.

Фотоэлектрические пирометры основаны на использовании зависимости интенсивности излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных пирометрах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

На рис. 2.12,6приведена схема фотоэлектрического монохроматического пирометра, в котором в качестве приемника применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 7 с линзой 2 и диафрагмой 3 объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5 таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае световой поток, падающий на катод фотоэлемента 6, расположенного за светофильтром 5, определяется яркостью излучателя, т.е. его температурой. В держателе светофильтра 5 расположено еще одно отверстие 8, через которое на фотоэлемент попадает световой поток от лампы 7 7 обратной связи. Световые потоки от излучателя 7 и лампы 7 7 подаются на катод попеременно через отверстия 7 и 8 с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки 9.

При различии световых потоков излучателя 7 и лампы 77в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 — последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу 17, что вызывает изменение тока накаливания лампы. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток накаливания лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.

В цепь лампы 77 включено калибровочное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 75, снабженным температурной шкалой.

Пирометры спектрального распределения измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра. Основное преимущество таких пирометров заключается в независимости их показаний от излучательной способности объекта, а также от наличия дыма, пыли и испарений в пространстве между объектом и пирометром.

В пирометрах сравнения (рис. 2.13, а) отношение спектральных интенсивностей оценивается субъективно по цветовому ощущению, создаваемому смесью двух монохроматических пучков. Излучение от объекта измерения 7 через объектив 2, нейтральный оптический клин 3 и двойной светофильтр 4 направляется к фотометрическому кубику 5. Двойной светофильтр 4 выполнен в виде двух клиньев (красного и зеленого), относительным перемещением которых можно изменять соотношение между интенсивностями красного и

Схема пирометров спектрального распределения

Рис. 2.13. Схема пирометров спектрального распределения: а — пирометр сравнения: 1 — объект измерения; 2 и 12 — объектив; 3 — оптический клин; 4 — светофильтр; 5 — фотометрический кубик; 6 — окуляр; 7 диафрагма; 8 — глаз оператора; 9 лампа;

  • 10 — матовое стекло; 11 — светофильтр; б — пирометр спектрального отношения: 1 — объект измерения;
  • 2 — объектив; 3 — фильтр; 4 — обтюратор; 5 — фотоэлемент;
  • 6 — усилитель; 7 — реверсивный двигатель

зеленого цветов. На фотометрический кубик поступает также излучение от лампы 9 через матовое стекло 10, красный и зеленый светофильтр 11 и объектив 12. Через окуляр 6 глаз оператора Увидит два участка, соответствующих излучению от объекта измерения 1 и лампы 9, окрашенных смесью зеленого и красного цветов с различным соотношением их интенсивности. Взаимным смещением оптических клиньев двойного светофильтра 4уравнивают соотношение излучения объекта измерения 1 и излучения лампы 9. Для уравновешивания соотношения цветов необходимо равенство яркостей излучения объекта и лампы. Этого добиваются изменением положения нейтрального оптического клина 3. После уравновешивания положения нейтрального клина определяют яркостную температуру, а положение одного из клиньев двойного светофильтра определяет цветовую температуру объекта.

В пирометрах спектрального отношения (рис. 2.13, б) вводится модуляция светового потока. Световой поток от объекта измерения 1 прерывается обтюратором 4 с двумя светофильтрами, пропускающими излучение на двух длинах волн и Х2 к фотоэлементу 5. Переменная составляющая выходного сигнала фотоэлемента усиливается в усилителе 6 и подается на реверсивный двигатель 7, который перемещает уравновешивающий фильтр 3 до тех пор, пока не уравняются интенсивности излучения на обеих длинах волн. В положении равновесия перемещение фильтра ^является мерой измеряемой температуры.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >