Пирометры частичного излучения

Основаны на использова­нии зависимости от температуры мощности излучения в ограни­ченном диапазоне длин волн. Рабочий диапазон измерений таких пирометров от -100 до +6000 ^оС. Основная погрешность изме­рения для различных типов пирометров лежит в пределах 0,25-2,5 %, быстродействие 0,001 - 2,5 с.

Разновидностью пирометра частичного излучения является монохроматический яркостный пирометр,основанный на сравне­нии энергетической яркости объекта исследования с энергетиче­ской яркостью образцового излучателя в узком участке спектра излучения. В качестве образцовых излучателей обычно исполь­зуются лампы накаливания с плоской вольфрамовой нитью, ко­торые при температуре нити ниже 1500 ^оС имеют стабильную зависимость яркости от тока накала нити.

Вследствие неполноты излучения реальных тел яркостные пи­рометры измеряют не действительную температуру тела Т, а так называемую яркостную температуру Т_я. Соотношение между дей­ствительной и яркостной температурами, как следует из законов излучения, определяется выражением

, (1.20)

где ε_λ - коэффициент тепловогоизлучения для длины волны λ.

Большинство яркостных пирометров, работающих в видимой области спектра, снабжаются красным светофильтром, обеспечива­ющим эффективную длину волны, равную (0,656±0,008) мкм. В зависимости от материала излучателя и состояния его по­верхности значения коэффициента теплового излучения ε_λ ко­леблются в широких пределах: 0 < ε_λ ≤ 1. Так, при λ=0,65 мкм для полированной меди он равен 0,03, для серебра 0,04 - 0,07, для вольфрама 0,6, для окисленного железа 0,6 - 0,9, для сили­катных огнеупоров 0,9 и т. д.

Рисунок 1.11 – Схема визуального пирометра с исчезающей нитью

Сравнение энергетических яркостей объекта исследования и образцового излучателя может осуществляться автоматически или визуально человеком, глаза которого очень чувствительны к слабым интенсивностям света. Широкое применение для изме­рения температур в диапазоне 300-6000^оС получили визуальные пирометры с исчезающей нитью. В таком пирометре (рисунок 1.11, а)изо­бражение объекта 1 путем перемеще­ния объектива 2 совмещается с пло­скостью нити 3 лампы накаливания 4. Наблюдая изображения объекта и нити через светофильтр 5 и окуляр 6, наблюдатель меняет ток накала нити лампы до тех пор, пока середина на­каленной нити не исчезнет на фоне изображения объекта (рисунок 1.11, б).Это свидетельствует о ра­венстве энергетических яркостей излучающего объекта и нити в области спектра, определяемого характеристикой пропускания красного фильтра τ(λ) и спектральной характеристикой чувстви­тельности глаза наблюдателя ν(λ) максимум которой для нор­мальных глаз соответствует длине волны λ=0,555 мкм (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 – Характеристики ν(λ) и τ(λ)

Зависимость между током лампы и яркостной температурой определяется путем градуировки термометра по температуре АЧТ. Шкала такого пирометра имеет резко нелинейную харак­теристику, поскольку яркость нити примерно пропорциональна пятой степени тока накала нити. Равномерную шкалу можно по­лучить, если ток накала нити и, следовательно, ее температуру поддерживать постоянными, а выравнивание яркости нити и объекта осуществлять перемещением нейтрального поглотителя с переменной плотностью (оптического клина) 7 (рисунок 1.11, а) устанавливаемого между объективом и температурной лампой. Яркостная температура в этом случае определяется по шкале отсчетного устройства, регистрирующего положение клина.

Для увеличения верхнего предела измерения пирометров при­меняются нейтральные поглотители с известным коэффициентом пропускания τ(λ), который определяется из выражения

, (1.21)

где λ - длина волны;

С₂ - вторая постоянная излучения;

Т₁ - температура АЧТ, измеренная пирометром без поглотителя;

Т₂- ­температура АЧТ, измеренная при наличии поглотителя.

Рисунок 1.13 – Схема пирометра с автоматическим уравновешиванием

Сравнение яркостей производится с погрешностью примерно 1 %, но обусловленная этим погрешность измерения температуры не превышает 0,1 % вследствие того, что яркость тела увеличиваeтcя значительно быстрее, чем его температура.

На рисунке 1.13 показана схема пирометра с автоматическим уравновешиванием, в котором яркость объекта 1 сравнивается с яркостью электрометрической лампы 2 при помощи фотоэлект­рического преобразователя 5. Излучения от объекта и лампы с помощью модулятора 4 через красный светофильтр 3 попере­менно подаются на преобразователь 5. Сигнал переменного тока через усилитель 6 и фазочувствительный выпрямитель 7 регули­рует ток в электрометрической лампе. Шкала прибора 8 градуи­руется в единицах температуры.

1.5.3 Пирометры спектрального отношения, или цветовые пиро­метры

Они показывают так называемую цветовую температуру тела Т_ц - условную температуру, при которой АЧТ имеет такое же относительное спектральное распределение энергетической яр­кости, что и исследуемое реальное тело с действительной темпе­ратурой Т.

Показания пирометра спектрального отношения соответствуют действительной температуре, если объект является абсолютно черным или серым телом, т. е. таким телом, у которого излуча­тельная способность для всех длин волн одинакова.

Если ε зависит от длины волны, то связь между действитель­ной и цветовой температурой определяется выражением

, (1.22)

где и - коэффициенты излучательной способности тела со­ответственно на длинах волн λ₁ и λ₂.

Из выражения 1.22 следует, что пирометры спектрального отношения, в отличие от пирометров полного или частичного из­лучения, показывают действительную температуру серых тел и их показания не зависят от излучательной способности тела до тех пор, пока = .

Для многих тел не остается постоянным с изменением длины волны. У металлов уменьшается с ростом длины волны, у неметаллических тел в ряде случаев наоборот, увеличивается. Поскольку при λ₂>λ₁ величина , то измеренная цветовая температура, как следует из выражения 1.22, может быть больше, меньше действительной температуры или равна ей. Из этого же выражения следует, что цветовая температура Т_ц тела тем ближе к действительной температуре, чем больше раз­ность λ₂-λ₁.

В целом погрешности пирометров спектрального отношения меньше, чем у пирометров полного или частичного излучения. Их показания принципиально не зависят от расстояния до объ­екта исследования, а также от поглощения излучения в промежу­точной среде между объектом и пирометром, если = .

В большинстве серийно выпускаемых пирометров модуляция излучения осуществляется при помощи механических модулято­ров, приводимых в движение синхронными микродвигателями. В качестве приемников излучения применяются термобатареи (в пирометрах полного излучения), фотодиоды, фоторезисторы или пироэлектрические приемники. В некоторых приборах при­емники излучения термостатированы. Большинство пирометров имеют стандартный выходной сигнал постоянного тока 0-5 мА или 4-20 мА и постоянного напряжения 0-100 мВ или 0-10 В.