Лекция 4. Состав СПА. Пирометры

4.1. Методы пирометрии

Преимущества перед контактными методами измерения температуры:

1) высокое быстродействие, определяемое типом приемника излучения и схемой обработки электросигналов. При использовании квантовых приемников излучения (фотодиодов) и быстродействующих аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) постоянная времени может составлять 10^-2 – 10^-6 с;

2) возможность измерения температуры движущихся объектов и элементов оборудования, находящихся под высоковольтным потенциалом;

3) отсутствием искажения температурного поля объекта контроля, что особенно актуально при измерении температуры материалов с низкой теплопроводностью (дерево, пластик и др.), а также риска повреждения поверхности и формы в случае мягких (пластичных) объектов;

4) возможность измерения высоких температур, при которых применение контактных средств измерения либо невозможно, либо время их работы очень невелико;

5) возможность работы в условиях повышенной радиации и температуры окружающей среды (до 250°С) при разнесении приемной головки и электроники пирометра с помощью оптоволоконного кабеля

Основные недостатки пирометрических измерений - трудности полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиации - необходимо учитывать:

1) изменение излучательной способности поверхности e :

o от длины волны l в регистрируемом спектральном диапазоне и

o от температуры T в диапазоне измерений,

2) наличие поглощения излучения в среде между пирометром и объектом контроля,

3) геометрические параметры поля зрения пирометра и его оптической системы,

4) температуру окружающей среды и корпуса прибора.

Радиационные термометры (или пирометры) - неконтактные температурные датчики, действие которых основано на зависимости температуры от количества теплового электромагнитного излучения, полученного от объекта измерения. Это целая группа приборов, которая включает как приборы, измеряющие температуру точки на объекте, области на объекте, так и позволяющие получить картину 1-мерного и даже 2-мерного распределение температуры на заданной площади измерения (тепловизоры). Широко используются в различных отраслях промышленности: металлургии, производстве стекла и керамики, полупроводников, пластика, бумаги и т.д.

Приборы этого типа имеют множество наименований, в основном связанных с их применением: оптические пирометры, радиационные пирометры, пирометры полного излучения, автоматические инфракрасные термометры, термометры непрерывного излучения, линейные сканеры, тепловизионные радиометры, поверхностные пирометры, пирометры отношения, 2-цветовые пирометры и т.п. Общий термин данного класса приборов и имеет технико - функциональное значение – радиационные термометры.

Главная трудность состоит в измерении температуры объекта - его излучательная способность неизвестна – это может быть окисленная поверхность, полупрозрачное стекло, зеркальная поверхность и т.д. Кроме того, необходим учет излучения близлежащей областью и излучения, отраженного от соседних объектов. К сожалению, не существует ни одного метода оптической пирометрии, который мог бы охватить весь набор встречающихся ситуаций. Однако разработаны различные подходы, каждый из которых способен преодолеть одну или две вышеупомянутые трудности.

Методы пирометрии. Практическая пирометрия возникла на рубеже 19 и 20-го веков. Примерно тогда же и сформировались 2 основных метода пирометрии:

1) радиационная (яркостная)

2) цветовая

Названия эти с течением времени менялись и корректировались, но суть методов осталась неизменной.

Метод яркостной пирометрии - использует зависимость энергетической яркости излучения объекта в ограниченном диапазоне длин волн от его температуры, используется зависимость, яркости излучения объекта от его температуры.Таким образом, основной элемент - приемник излучения, преобразующий приходящую на него энергию излучения в иную ФВ, чаще всего в ток или в напряжение. Его дополняют:

1) оптическая система, собирающая в определенном телесном угле излучение от объекта,

2) электронная схема с системами питания и индикации, усиливающая, преобразовывающая и отображающая результат измерения.

Метод цветовой оптической пирометрии - первоначально основывался на зависимости спектрального распределения потока излучения нагретого объекта от температуры в диапазоне видимых длин волн (от температуры нагретого объекта зависит цвет его излучения: объекты, нагретые до 700–800°С, светят темно-оранжевым светом, при 1000–1200°С ярко-оранжевым, постепенно переходя в желтый, при 2000°С цвет воспринимается нашим глазом как ярко-желтый, а после 2500°С свечение приближается к белому цвету).

Долгое время основными элементами цветового сравнения были глаз оператора и нагретая нить накала (или спираль), расположенная в окуляре пирометра в поле зрения оператора. Нить в окуляре совмещалась с изображением измеряемого объекта. Регулируя проходящий через накальную нить электоток, оператор подбирал такое его значение, чтобы цвет нити совпадал с цветом измеряемого объекта. При определенном значении тока изображение нити "исчезало" на фоне нагретого объекта, что являлось критерием равенства температуры объекта и нагретой нити (отсюда пошло и распространенное в литературе название подобных пирометров – «с исчезающей нитью»).

В силу особенностей человеческого зрения рассмотренный метод имеет серьезные ограничения в точности и повторяемости результатов измерений. Поэтому с развитием компонентной базы субъективные визуальные измерения были вытеснены измерениями с помощью нескольких приемников излучения, работающих в различных спектральных диапазонах. Таких приемников может быть и 3, и 7, но на практике чаще всего ограничиваются 2-мя.

Метод пирометрии спектрального отношения. Основан на зависимости от температуры отношения энергетических яркостей объекта в 2-х различных областях спектра излучения.

4.2. Физика пирометрии