2.1.Пірометри часткового випромінювання
До даного типу пірометрів, що вимірюють температуру яскравості об'єкта, відносяться монохроматические оптичні пірометри і фотоелектричні пірометри, що вимірюють енергію потоку у вузькому діапазоні довжин хвиль.
Принцип дії оптичних пірометрів заснований на використанні залежності щільності потоку монохроматичного випромінювання від температури. На (рис. 11) представлена схема пірометра з "зникаючої" ниткою, принцип дії якого заснований на порівнянні яскравості об'єкта вимірювання і градуйованого джерела випромінювання в певній довжині хвилі.
Зображення випромінювача 1 лінзою 2 і діафрагмою 4 об'єктива пірометра фокусується в площині нитки розжарювання лампи 5. Оператор через діафрагму 6 лінзу 8 окуляра і червоний світлофільтр 7 на тлі розпеченого тіла бачить нитка лампи. Переміщаючи движок реостата 11, оператор змінює силу струму, що проходить через лампу, і домагається зрівнювання яскравості нитки і яскравості випромінювача. Якщо яскравість нитки менше яскравості тіла, то вона на його тлі виглядає чорною смужкою, при більшій температурі нитки вона буде виглядати, як світла дуга на більш темному тлі. У разі рівного розподілу яскравості випромінювача і нитки остання "зникає" з співаючи зору оператора. Цей момент свідчить про рівність яскравості температур об'єкта вимірювання і нитки лампи. Харчування лампи здійснюється за допомогою батареї 10. Прилад 9, що фіксує силу струму, що протікає в вимірювальної ланцюга, заздалегідь проградуирован в значеннях залежності між силою струму і яркостной температурою АЧТ, що дозволяє робити зчитування результату в 0С.
основна допустима похибка вимірювання складає ± 20 0С. На точність вимірювання впливають невизначеність і змінність спектральної ступеня чорноти, можлива зміна інтенсивності випромінювання за рахунок ослаблення в проміжній середовищі, а так само за рахунок відображення сторонніх променів.
Фотоелектричні пірометри часткового випромінювання забезпечують безперервне автоматичне вимірювання та реєстрацію температури. Їх принцип дії заснований на використанні залежності інтенсивності випромінювання від температури у вузькому інтервалі довжин хвиль спектра. Як приймачів в даних пристроях використовуються фотодіоди, фотосопротивления, фотоелементи та фотопомножувачі.
Фотоелектричні пірометри часткового випромінювання діляться на дві групи:
1) пірометри, в яких мірою температури об'єкта є безпосередньо величина фотоструму приймача випромінювання;
2) пірометри, які містять стабільне джерело випромінювання, при чому фотоприймач служить лише індикатором рівності яркостей даного джерела і об'єкта.
На (рис. 12) наведена схема фотоелектричного пірометра, що відноситься до другої групи пірометрів. У ньому в якості приймача випромінювання застосовується фотоелемент. Потік від випромінювача 1 лінзою 2 і діафрагмою 3 об'єктива фокусується на отворі 7 в тримачі світлофільтру 5 таким чином, щоб зображення візуються ділянки поверхні випромінювача перекривало даний отвір. У цьому випадку величина світлового потоку, що падає на катод фотоелемента 6, розташованого за світлофільтром, визначається яскравістю випромінювача, т. Е. Його температурою. У тримачі світлофільтру розташовано ще один отвір 8, через яке на фотоелемент потрапляє потік від лампи зворотного зв'язку 17. Світлові потоки від випромінювача 1 і лампи 17 подаються на катод поперемінно з частотою 50 Гц, що забезпечується за допомогою вібруючої заслінки 9. Зворотно-поступальний рух заслінки забезпечується за допомогою котушки збудження 10 і постійного магніту 12. У вібраторі відбувається перемагнічування сталевого якоря 11, який з частотою 50 Гц по черзі притягається полюсами магніту 12 і переміщує заслінку 9.
При розходженні світлових потоків випромінювача 1 і лампи 17 в струмі фотоелемента з'явиться змінна складова, що має частоту 50 Гц і амплітуду, пропорційну різниці даних потоків. Підсилювач 13 забезпечує посилення змінної складової, а фазовий детектор 14 подальше її випрямлення. Отриманий вихідний сигнал подається на лампу, що викликає зміна сили струму розжарювання. Це буде відбуватися до тих пір, поки на катоді фотоелемента світлові потоки від двох джерел НЕ зрівняються. Отже, струм лампи зворотного зв'язку однозначно пов'язаний з яркостной температурою об'єкта вимірювання.
У ланцюг лампи 17 включено калібрований опір 16, падіння напруги на якому пропорційно силі струму і вимірюється швидкодіючим потенціометром 15, забезпеченим температурною шкалою. Окуляр 4 забезпечує наводку пристрою на об'єкт вимірювання.
У фотоелектричних пірометрах з межами вимірювання від 500 до 1100 0С застосовують киснево-цезієвого фотоелемент, а в приладах зі шкалою 800¸4000 0С вакуумний сурьмяно-цезієвий. Поєднання останнього з червоним світлофільтром забезпечує отримання ефективної довжини хвилі пірометра 0.65 ± 0.01 мкм, що призводить до збігу показань фотоелектричного пірометра з показаннями візуального пірометра.
Оптичні пірометри, з зникаючою ниткою.
Принцип дії оптичного пірометра з зникаючою ниткою заснований на порівнянні монохроматичної яскравості випромінювання розжареного тіла з монохроматичної яскравістю випромінювання нитки спеціальної пірометричної лампи розжарювання. Принципова схема пірометра типу ОППІР-017 приведена на мал.1а.
Оптична система пирометра є телескоп з об'єктивом (1) і окуляром (4). Перед окуляром поміщений червоний світлофільтр (3). Спектральна характеристика пропускання світлофільтра підбирається з урахуванням спектральної чутливості ока так, щоб при розгляданні об'єкта через світлофільтр найбільша видима яскравість відповідала б довжині хвилі близько 0,65 мкм. У фокусі об'єктива знаходиться шляхом утворення пірометричної лампочки (5). Нитка лампочки харчується від акумулятора; її загострення можна регулювати вручну реостатом (6). В поле зору телескопа спостерігач бачить ділянку поверхні, що випромінює розжареного тіла (об'єкта вимірювання) і на цьому тлі - нитка лампочки (рис.1б). Якщо яскравості нитки і розжареного тіла неоднакові, нитка буде видна більш темною або більш світлої, ніж фон. Регулюючи напругу нитки реостатом, спостерігач добивається рівності яркостей, при цьому зображення нитки зіллється з фоном і стане невиразно (нитка "зникне"). У цей момент яркостная температура нитки дорівнює яркостной температурі об'єкта вимірювання. Око дуже чутливий до розрізнення яркостей і момент "зникнення" нитки вловлюється з достатньою впевненістю. Що складає прилад (8), що входить в ланцюг нитки розжарювання, градуюється по зразковому пірометру або за температурними лампам, в ° С яркостной температури.
Як зазначалося вище, якщо об'єкт вимірювання за своєю випромінюючої здатності близький до абсолютно чорного тіла, то показується пірометром яркостная температура дорівнює істинної температурі об'єкта. Однак випромінює здатність реальних фізичних тіл не досягає випромінюючої здатності абсолютно чорного тіла. Тому при однаковій яскравості випромінювання, тобто при однаковій яскравості температурі, справжня температура Т реального фізичного тіла буде вище яркостной температури ТS, що показується оптичним пірометром. Співвідношення істинної і яркостной температур визначається виразом
де, Т і ТS - справжня і яскравості температури в градусах абсолютної шкали;
- довжина хвилі світла, в якому вимірюється яркостная температура (для оптичних пірометрів зазвичай = 0,65 мкм);
с2 - 1,438 см / град. - постійна;
- коефіцієнт випромінювальної здатності (коефіцієнт чорноти) реального тіла для довжини хвилі.
Коефіцієнт випромінювальної здатності завжди менше одиниці і більше нуля і коливається в цих межах залежно від матеріалу, його стану (рідке, тверде) і шорсткості поверхні. Значний вплив на величину коефіцієнта чорноти надає наявність плівки оксиду на поверхні розпеченого металу. Так, наприклад, вуглецева сталь для = 0,65 мкм має в твердому стані = 0,35, в рідкому - 0,37; наявність плівки оксиду на твердій поверхні стали збільшує коефіцієнт чорноти до 0,8.
Для визначення істинної температури об'єкта в показання пірометра необхідно вносити поправку, яка визначається на основі формули (1) або за таблицями, складеними за тією ж формулою. При цьому величина поправки може бути значною. Наприклад, при коефіцієнті чорноти = 0,35 і яркостной температурі 2400 ° С справжня температура становить 2795 ° С.
Коливання коефіцієнта чорноти в залежності від складу і температури металу і стану його спостерігається поверхні є одним з основних джерел похибок вимірювання температури оптичними пірометрами.
Щоб уникнути перегріву нитки, її температура не повинна перевищувати 1500 ° С, тому при вимірах в діапазоні більш високих температур перед лампою встановлюється поглинає світлофільтр (7), що зменшує видиму яскравість випромінювання об'єкта.
Вітчизняні пірометри випускаються з діапазонами вимірювання 1200-3200 і 1500-6000 ° С. Діапазон вимірювання приладу може бути розбитий на два піддіапазони, в цьому випадку пірометр має дві шкали. Перехід з одного діапазону на інший здійснюється введенням або виведенням поглинає світлофільтру.
Для харчування пірометра типу ОППІР-017 застосовується здвоєний лужної акумулятор НКН-10. Сила струму в лампі регулюється реостатом. Електровимірювальний показує прилад являє собою диференційний амперметр з двома рамками, який реагує на зміну струму в ланцюзі харчування і напруги на параметричної лампі. При цьому автоматично враховується зміна опору нитки лампи від температури її напруження. Час встановлення показання після включення приладу не перевищує 8с. Основна допустима похибка вимірювання яскравості температури залежить від діапазону температур і становить від 1 до 25% від верхньої межі використовуваної, шкали приладу.
Існують також оптичні пірометри, в яких звірення яркостей нитки і об'єкта проводиться не візуально, а фотоелектричним пристроєм, що дозволяє автоматизувати вимірювання і підвищити точність визначення яркостной температури. Однак схема і конструкція приладу при цьому істотно ускладнюються.
2.2. Пірометри спектрального випромінювання
Пірометри даного типу вимірюють колірну температуру об'єкта по відношенню інтенсивностей випромінювання в двох певних ділянках спектра, кожна з яких характеризується ефективною довжиною хвилі.
На (рис. 13) наведена схема двоканального пірометра спектрального відношення (ПСО), в якому перетворення енергії отримання в електричні сигнали проводиться за допомогою двох кремнієвих фотодіодів. Потік випромінювання від об'єкта вимірювання 1 за допомогою оптичної системи, що складається з лінз 2, апертурними і польовий діафрагми 3, передається на інтерференційний світлофільтр 4. Останній забезпечує виділення двох потоків, кожен з яких характеризується власним спектром. Дані потоки потрапляють на кремнієві фотодіоди 7, які перетворюють випромінювання в фототок, що протікає через опір R1 і R2, включені в вимірювальну схему вторинного реєструючого приладу - логометра. Різниця падінь напруг на опорах подається на вхід підсилювача 5, вихідний сигнал якого надходить на реверсивний двигун 6, що переміщає движок реохорда R2 і стрілку щодо шкали настання балансу, відповідного вимірюваної температурі.
Інтерференційний фільтр 4 є напівпрозорим дзеркалом, що має високий коефіцієнт пропускання в одній і високий коефіцієнт відбиття в іншій області спектра. Дзеркало 8 і окуляр 9 забезпечують візуальну наводку об'єктива пірометра на об'єкт вимірювання. Для зменшення похибки від впливу навколишнього температури фільтр 4 і приймачі випромінювання 7 поміщені в термостат.
ПСО використовуються для вимірювання температур твердого та розплавленого металу в широкому інтервалі температур від 300 до 2200 0С і мають клас точності 1 і 1.5 (в залежності від межі вимірювання). Дані пірометри мають в 3-5 разів меншу методичну похибку, пов'язану зі зміною ступеня чорноти випромінювача. На їх показання значно менше впливають поглинання проміжної середовища. Однак в тих випадках, коли об'єкт характеризується селективним випромінюванням (ступінь чорноти при одній і тій же температурі різко змінюється з довжиною хвилі), похибка ПСО може бути вище похибки пірометрів випромінювання інших типів. ПСО більш складні і менш надійні, ніж інші прилади.