Средства измерения температуры тел по их тепловому излучению

Оптические пирометры широко применяются в лабораторных и производственных условиях для измерения температур выше 800 °С. Принцип действия оптических пирометров основан на сравнении спектральной яркости тела со спектральной яркостью градуированного источника излучения. Чувствительным элементом, определяющим совпадение спектральных яркостей в визуальных оптических пирометрах, служит глаз человека. Наиболее распространенным является оптический пирометр с исчезающей нитью, схема которого приведена на рис. 3.11а.

Для измерения температуры объектив 1 прибора направляется на объект измерения так, чтобы наблюдатель на его фоне увидел в окуляре 7 нить оптической лампы 4.

Сравнение спектральных яркостей объекта измерения и нити лампы 4 осуществляются обычно при длине волны, равной 0,65 мкм, для чего перед окуляром установлен красный светофильтр 6. Диафрагмы 3 и 5 ограничивают соответственно входной и выходной углы пирометра, оптимальные значения которых позволяют обеспечить независимость показаний прибора от изменения расстояния между объектом измерения и объективом.

Наблюдая за изображением нити лампы на фоне объекта измерения (светлый фон – темная нить (рис. 3.11б); темный фон – светлая нить (рис. 3.11г)), с помощью реостата R _б изменяют силу тока, идущего от батареи Б к нити лампы, до тех пор, пока яркость нити не станет равной видимой яркости объекта измерения. При достижении указанного равенства нить «исчезает» на фоне изображения объекта измерения (рис. 3.11в).

Рис. 3.11. Схема визуального оптического пирометра:
с исчезающей нитью (а) и изображение нити лампы на фоне объекта измерения (ОИ): светлый фон – темная нить (б); темный фон – светлая нить (г); нить «исчезает» на фоне изображения объекта измерения (в) 

В этот момент по шкале миллиамперметра mА, предварительно отградуированного в значениях яркостной температуры нити лампы , определяют яркостную температуру объекта . По измеренной яркостной температуре при известном  в соответствии с выражением (3.13) рассчитывают истинную температуру объекта.

Существующие в настоящее время оптические пирометры предназначены для измерения температур в интервале от 800 до 6000 °С и имеют различные модификации с различными пределами измерения. Класс точности оптических пирометров 1,5÷4,0.

Фотоэлектрические пирометры. В отличие от оптических визуальных пирометров фотоэлектрические пирометры являются автоматическими. Чувствительными элементами, воспринимающими лучистую энергию, в этих приборах могут служить фотоэлементы, фотоумножители, фотосопротивления и фотодиоды. Измерение температуры фотоэлектрическими пирометрами, как и оптическими визуальными, основано на зависимости спектральной яркости тел от его температуры.

По принципу действия фотоэлектрические пирометры бывают двух типов. К первому относятся приборы, в которых лучистая энергия, попадая на чувствительный элемент, изменяет его параметры (фототок, сопротивление). В приборах второго типа измерение лучистой энергии осуществляется компенсационным методом. Здесь чувствительный элемент работает в режиме нуль-индикатора, сравнивая интенсивности излучения от измеряемого тела и стабильного источника излучения – миниатюрной лампочки накаливания.

Фотоэлектрические пирометры второго типа более сложны, но более точны, так как их показания не зависят от характеристик чувствительного элемента и электронной схемы. Рассмотрим фотоэлектрический пирометр, работающий по компенсационному методу (рис. 3.12). Тубус прибора визируется на объект измерения (ОИ) так, чтобы световой поток попадал на объектив 2, проходил через диафрагму 3 и верхнее отверстие диафрагмы 5, пронизывал красный светофильтр 6, а затем воспринимался фотоэлементом 7. Через нижнее отверстие диафрагмы 5 к фотоэлементу попадает световой поток от регулируемого источника света 1, питаемого током от силового блока 9. Последний управляется электронным усилителем 8, входом которого является фототок от фотоэлемента 7. Световые потоки попадают на фотоэлемент 7 в противофазе вследствие того, что перед отверстиями диафрагмы установлена вибрирующая заслонка 4, поочередно перекрывающая эти отверстия. Профили этой заслонки и отверстий диафрагмы 5 выполнены так, что каждый из световых потоков, попадая на фотоэлемент, создает противоположный по фазе синусоидальный ток.

Таким образом, при одинаковых интенсивностях световых потоков от объекта измерения и лампы 1, или, точнее, одинаковых спектральных яркостях, воздействующих в противофазе, на фотоэлементе генерируется постоянный ток.

Если интенсивности световых потоков, поступающих на фотоэлемент, окажутся не равными друг другу, то в цепи фотоэлемента появляется переменная составляющая фототока, которая усиливается электронным усилителем 8 и поступает на фазочувствительный каскад силового блока 9. В результате ток накала лампы 1 изменяется до тех пор, пока на фотоэлементе не уравняются световые потоки от объекта измерения и лампы. (Строго говоря, световой поток от лампы никогда точно не равен потоку от объекта измерения из-за того, что уравновешивание световых потоков выполнено по пропорциональной автокомпенсационной схеме.)

Таким образом, ток лампы, однозначно связанный с ее спектральной яркостью, может служить мерой яркостной температуры объекта. Следовательно, измеряя автоматическим потенциометром падение напря-жения, вызванное током лампы на резисторе 10 с сопротивлением R, шкалу потенциометра градуируют в значениях яркостной температуры.

Фотоэлектрические пирометры имеют основную погрешность ±1 % при верхнем пределе измерений до 2000 ºС и ±1,5 % при верхнем пределе выше 2000 ºС.

Радиационные пирометры, или пирометры полного излучения – это приборы, воспринимающие излучение от объекта во всем спектральном диапазоне. Поскольку приемники излучения имеют ограниченный рабочий диапазон длин волн, в пирометре используется не полный спектр излучения, а лишь определенная его полоса. И все же принято считать, что пирометр является радиационным, если в нем используется не менее 90 % излучения от объекта измерения. Радиационные пирометры имеют самый широкий диапазон измерения, он лежит в интервале 50÷2000 °С и выше.

Измерение температуры радиационными пирометрами основано на улавливании теплового излучения и концентрировании его на термочувствительном элементе с помощью собирательной линзы (рефракторные приборы) или вогнутых зеркал (рефлекторные приборы).

Схема радиационного пирометра рефракторного типа приведена на рис. 3.13.

Излучение от объекта 1 концентрируется линзой 2 объектива через диафрагму 3 на рабочих концах термобатареи 4. Фокусировка телескопа пирометра на объект измерения производится окуляром 7. При высокой температуре объекта для защиты глаза перед окуляром в поле зрения вводят красное стекло 6. Резистор 5 применяется для коррекции температурной погрешности. 

Классы точности радиационных пирометров 1,0 и 1,5. Постоянная времени этих приборов составляет 0,3÷1,5 с.