Пирометры
Министерство образования и науки РТ
ГБОУ ВПО «Альметьевский Государственный Нефтяной Институт»
Кафедра АИТ
Доклад
По курсу "Технологические измерения и приборы"
на тему:
«Пирометры»
Выполнил:
Проверила:
.
Альметьевск, 2009
Содержание
Введение
…………………………………………………………………………..
Классификация. Принцип действия. Схема конструкции. …………………….4
1.1.Пирометры
частичного излучения ……………………
1.2.
Пирометры спектрального
1.3.
Пирометры суммарного
Заключение
……………………………………………………………………....
Список литературы …………………………………………………………….....15
Введение
Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами.
Пирометры – бесконтактные измерители
температуры по-прежнему являются незаменимыми
элементами цепей контроля и управления
в целом ряде отраслей промышленности
– металлургической, машиностроительной,
электронной, химической, медико-биологической
и т.д. Им нет альтернативы при
измерении температуры
Принцип действия пирометра заключается в измерении силы теплового излучения, исходящего от объекта преимущественно в диапазонах видимого света и инфракрасного излучения.
Изначально термин «пирометр» использовался для обозначения прибора, предназначенного для измерения температуры по яркости предельно нагретого предмета. На сегодняшний день понятие несколько расширилось, поскольку, с развитием технологий появились абсолютно новые приборы – инфракрасные пирометры.
- Односпектральными. Такие пирометры принимают излучения только в одном спектральном диапазоне. Односпектральные пирометры в свою очередь подразделяются на радиационные (мощность теплового излучения переводится в температуру) и яркостные (в диапазоне красного света измеряются яркости эталонного объекта и объекта измерения). В эту подгруппу входят пирометры полного излучения.
- Мультиспектральными. Также их называют цветовыми или пирометрами спектрального отношения.
На основании законов
1. пирометр суммарного излучения
(ПСИ) – измеряется полная
2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;
3. пирометры спектрального
Классификация. Принцип действия. Схема конструкции.
1.1.Пирометры частичного излучения
К данному типу пирометров, измеряющих
яркостную температуру объекта,
относятся монохроматические
Оптические пирометры.
Принцип действия оптических пирометров
основан на использовании зависимости
плотности потока монохроматического
излучения от температуры. На (рис. 11)
представлена схема оптического
пирометра с "исчезающей" нитью,
принцип действия которого основан
на сравнении яркости объекта
измерения и градуированного
источника излучения в
Изображения излучателя 1 линзой 2 и
диафрагмой 4 объектива пирометра
фокусируется в плоскости нити накаливания
лампы 5. Оператор через диафрагму 6
линзу 8 окуляра и красный светофильтр
7 на фоне раскаленного тела видит нить
лампы. Перемещая движок реостата 11,
оператор изменяет силу тока, проходящего
через лампу, и добивается уравнивания
яркости нити и яркости излучателя.
Если яркость нити меньше яркости
тела, то она на его фоне выглядит
черной полоской, при большей температуре
нити она будет выглядеть, как
светлая дуга на более темном фоне.
При равенстве яркости
Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700 до 8000 0С. Для оптических пирометров промышленного применения в интервале температур 1200¸2000 0С.основная допустимая погрешность измерения составляет ±20 0С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а так же за счет отражения посторонних лучей.
Фотоэлектрические пирометры.
Фотоэлектрические пирометры частичного
излучение обеспечивают непрерывное
автоматическое измерения и регистрацию
температуры. Их принцип действия основан
на использовании зависимости
Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы:
1) пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения;
2) пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, при чем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.
На (рис. 12) приведена схема
При различии световых потоков излучателя 1 и лампы 17 в 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, что вызывает изменение силы тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.
В цепь лампы 17 включено калиброванное сопротивление 16, падение напряжения на котором пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 15, снабженным температурной шкалой. Окуляр 4 обеспечивает наводку устройства на объект измерения.
В фотоэлектрических пирометрах с пределами измерения от 500 до 1100 0С применяют кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800¸4000 0С вакуумный сурьмяно-цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра 0.65±0.01 мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического пирометра.
Оптические пирометры, с исчезающей нитью.
Принцип действия оптического пирометра
с исчезающей нитью основан на
сравнении монохроматической
Рис.1
Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с объективом (1) и окуляром (4). Перед окуляром помещен красный светофильтр (3). Спектральная характеристика пропускания светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности глаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около 0,65 мкм. В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки (5). Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом (6). В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки (рис.1б). Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы, нить будет видна более темной или более светлой, чем фон. Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить "исчезнет"). В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения. Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент "исчезновения" нити улавливается с достаточной уверенностью. Показывающий прибор (8), включенный в цепь нити накаливания, градуируется по образцовому пирометру или по температурным лампам, в °С яркостной температуры.
Как указывалось выше, если объект измерения по своей излучающей способности близок к абсолютно черному телу, то показываемая пирометром яркостная температура равна истинной температуре объекта. Однако излучающая способность реальных физических тел не достигает излучающей способности абсолютно черного тела. Поэтому при одинаковой яркости излучения, т.е. при одинаковой яркостной температуре, истинная температура Т реального физического тела будет выше яркостной температуры ТS, показываемой оптическим пирометром. Соотношение истинной и яркостной температур определяется выражением
( 1 )
где, Т и ТS - истинная и яркостная температуры в градусах абсолютной шкалы;
- длина волны света, в котором
измеряется яркостная
с2 - 1,438 см/град. – постоянная;
- коэффициент излучательной способности (коэффициент черноты) реального тела для длины волны .
Коэффициент излучательной способности всегда меньше единицы и больше нуля и колеблется в этих пределах в зависимости от материала, его состояния (жидкое, твердое) и шероховатости поверхности. Значительное влияние на величину коэффициента черноты оказывает наличие пленки окисла на поверхности раскаленного металла. Так, например, углеродистая сталь для = 0,65 мкм имеет в твердом состоянии = 0,35, в жидком - 0,37; наличие пленки окисла на твердой поверхности стали увеличивает коэффициент черноты до 0,8.
Для определения истинной температуры
объекта в показания
Колебания коэффициента черноты в
зависимости от состава и температуры
металла и состояния его
Во избежание перегрева нити, ее температура не должна превышать 1500°С, поэтому при измерениях в диапазоне более высоких температур перед лампой устанавливается поглощающий светофильтр (7), уменьшающий видимую яркость излучения объекта.
Отечественные пирометры выпускаются с диапазонами измерения 1200-3200 и 1500-6000°С. Диапазон измерения прибора может быть разбит на два поддиапазона, в этом случае пирометр имеет две шкалы. Переход с одного диапазона на другой осуществляется введением или выведением поглощающего светофильтра.
Для питания оптического пирометра
типа ОППИР-017 применяется сдвоенный
щелочной аккумулятор НКН-10. Сила тока
в лампе регулируется реостатом.
Электроизмерительный показывающий прибор
представляет собой дифференциальный
амперметр с двумя рамками, который
реагирует на изменение тока в
цепи питания и напряжения на параметрической
лампе. При этом автоматически учитывается
изменение сопротивления нити лампы
от температуры ее накала. Время
установления показания после включения
прибора не превышает 8с. Основная допустимая
погрешность измерения
Существуют также оптические пирометры,
в которых сличение яркостей нити
и объекта производится не визуально,
а фотоэлектрическим
1.2. Пирометры спектрального излучения
Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной длиной волны .
На (рис. 13) приведена схема двухканального
пирометра спектрального
Интерференционный фильтр 4 является полупрозрачным зеркалом, имеющем высокий коэффициент пропускания в одной и высокий коэффициент отражения в другой области спектра. Зеркало 8 и окуляр 9 обеспечивают визуальную наводку объектива пирометра на объект измерения. Для уменьшения погрешности от влияния окружающей температуры фильтр 4 и приемники излучения 7 помещены в термостат.
Цветовые пирометры.
Действие этих пирометров основано на том, что с изменением температуры меняется цвет накаленного тела. При этом, если выделить в спектре излучения накаленного тела два монохроматических излучения с длинами волн и (соответствующих, например, красному и синему свету), то с изменением цвета будет меняться соотношение яркостей этих излучений.
Для абсолютно черного тела отношение монохроматических яркостей излучений длин волн и будет
(1)
или
(2)
Обозначения те же, что и в формуле (1).
Для нечерного тела, обладающего в длинах волн и неодинаковыми коэффициентами излучательной способности и отношение яркостей будет
(3)
Многие металлы (сталь, чугун, алюминий, платина и др.), имеют практически одинаковый коэффициент излучательной способности во всем спектре видимого излечения. Тела, обладающие этим свойством называют "серыми" телами. Для "серого" тела = и Р = Ру, т.е. соотношение монохроматических яркостей при данной температуре Т такое же, как у абсолютно черного тела.
Как видно из формул (2) и (3) отношение
монохроматических яркостей для
двух заданных длин волн является однозначной
функцией абсолютной температуры тела
Т. В цветовых пирометрах измерение
температуры осуществляется по величине
отношения монохроматических
Рис.2.
Излучение объекта
измерения через защитное стекло
(1) и объектив (2) падает на фотоэлемент
(4). Между объективом и фотоэлементом
установлен вращающийся диск (обтюратор)(3),
в который вставлены два
Диапазон измерения пирометра ЦЭП-2М от 1400 до 2500°С. Этот диапазон разбит на несколько поддиапазонов. Переход от одного поддиапазона к другому производится с помощью специальных добавочных светофильтров.
1.3. Пирометры суммарного излучения
Пирометры суммарного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0.4¸2.5, а для плавленого кварца 0.4¸4 мкм.
Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусируется на термочувствительном приемнике излучения нагретого тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п. Наиболее широко применяются термобатареи (рис. 14 а), в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы 4 термопар 2. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам 1, закрепленным на слюдяном кольце 3. Металлические выводы 5 служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры.
Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20±2 0С, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей. Так, при температуре корпуса 40 0С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4 0С. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.
На (рис. 14б) показано устройство телескопа ПСИ. Он включает: корпус 1 с диафрагмой 7; объектив, имеющий стеклянную или кварцевую линзу 2, устанавливаемую во втулке 13, ввинчиваемой в корпус; блок термобатареи, состоящей из самой термобатареи 3, корпуса 5, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма 6, и контактных винтов 10; компенсационное медное сопротивление 4, шунтирующее термобатарею и обеспечивающее уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляр, включающий линзу 8 и защитное стекло 9. Фланец 11 служит для крепления корпуса к защитной арматуре, обеспечивающей работу пирометра в тяжелых условиях металлургического производства.
Получение стандартной градуировки обеспечивается перемещением диафрагмы 6, зубчатый венец которой сочленен с зубьями трубки 12.
Диафрагма, устанавливаемая в телескопе,
ограничивает телесный угол визирования,
что исключает влияние на показания
размеров излучателя и его расстояния
от пирометра. При этом на термобатарею
попадает излучение только с определенного
небольшого участка объекта измерения.
Размеры этого участка
Сопротивление соединительной линии между ПСИ и потенциометром не должно превышать 200 Ом, а при работе с милливольтметром оно равно 5 Ом.
ПСИ имеют меньшую точность по сравнению
с другими пирометрами. Методические
погрешности измерения
Вид материала линзы определяет интервал измеряемых температур и градуировочную характеристику. Стекло из флюорита обеспечивает возможность измерения низких температур начиная с 100 0С, кварцевое стекло используется для температуры 400¸1500 0С, а оптическое стекло для температур 950 0С и выше.
ПСИ измеряют температуру от 100 до
3500 0С. Основная допустимая погрешность
технических промышленных пирометров
возрастает с увеличением верхнего
предела измерения и для
Радиационные пирометры.
В отличие от оптических пирометров
с исчезающей нитью и цветовых
пирометров, в радиационных пирометрах
используется тепловое действие полного
излучения нагретого тела, включая
как видимое, так и не видимое
излучение. В связи с этим радиационные
пирометры называются также пирометрами
полного излучения. В качестве чувствительного
элемента в радиационных пирометрах
используется термобатарея из нескольких
миниатюрных последовательно
Рис.3
Зависимость между полной энергией излучения абсолютно черного тела и его температурой выражается уравнением
( 4 )
где, ET - полная энергия излучаемая телом при абсолютной температуре Т за одну секунду с поверхности площадью 1 см2;
- коэффициент
Для тел, не являющихся абсолютно черными,
( 5 )
где, - коэффициент излучающей способности, определенный для полного излучения тела.
Радиационные пирометры
(6)
где, Тр - радиационная температура тела, показываемая радиационным пирометром. Так как <1, то истинная температура больше радиационной. Поправка, которые необходимо вносить в показания радиационного пирометра для определения истинной температуры, могут достигать нескольких сотен градусов, если объект измерения по своим радиационным свойствам значительно отличается от абсолютно черного тела.
Положительной особенностью радиационных
пирометров является то, что их можно
применять также и для
В настоящее время радиационные
пирометры применяются для
Радиационные пирометры, как и
цветовые, пригодны для непрерывного
измерения и регистрации
Заключение
При всем разнообразии существующих
термометров и датчиков температуры
в производстве возникают задачи,
которые не под силу современным
контактным цифровым термометрам. Оборудование
и устройства многих технологических
циклов и процессов не позволяют
установку контактных датчиков или
показывающих приборов для контроля
температуры по ряду технических
причин, либо установка и монтаж
подобных датчиков и приборов затруднена.
Ввиду актуальности такой проблемы
были разработаны специальные инфрак
Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в промышленности, быту, сфере ЖКХ, на предприятиях, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль). Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Их можно применять в качестве теплолокаторов (усовершенствованные модели), для определения областей критических температур в различных производственных сферах.