Яркостный пирометр: принцип работы, устройство и применение

Что такое яркостный пирометр. Как работает яркостный пирометр. Для чего используются яркостные пирометры. Какие преимущества и недостатки у яркостных пирометров. Как правильно выбрать яркостный пирометр.

Что такое яркостный пирометр и как он работает

Яркостный пирометр — это оптический прибор для бесконтактного измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения. Принцип работы яркостного пирометра основан на зависимости спектральной яркости излучения тела от его температуры.

Основные компоненты яркостного пирометра:

• Оптическая система для фокусировки излучения от объекта
• Монохроматор или светофильтр для выделения узкого спектрального диапазона
• Приемник излучения (фотоэлемент, фотоумножитель)
• Измерительная схема
• Индикатор или дисплей

При измерении оператор наводит пирометр на объект и фокусирует его излучение на приемник. Интенсивность регистрируемого монохроматического излучения сравнивается с калибровочной шкалой, что позволяет определить температуру.

Преимущества и недостатки яркостных пирометров

Основные преимущества яркостных пирометров:

• Бесконтактное измерение температуры
• Возможность измерения высоких температур (до 3000°C и выше)
• Быстродействие
• Возможность измерения температуры движущихся объектов

Недостатки яркостных пирометров:

• Зависимость показаний от коэффициента излучения поверхности
• Влияние запыленности и задымленности среды
• Необходимость знания спектральных характеристик объекта
• Погрешность при измерении через оптически прозрачные среды

Области применения яркостных пирометров

Яркостные пирометры широко применяются в следующих областях:

• Металлургия — контроль температуры металла при плавке, разливке, термообработке
• Энергетика — диагностика теплоэнергетического оборудования
• Химическая промышленность — контроль температуры в реакторах
• Производство стекла и керамики
• Научные исследования в области высоких температур

Яркостные пирометры позволяют проводить измерения в труднодоступных местах и опасных условиях, где невозможно использовать контактные датчики температуры.

Как выбрать яркостный пирометр

При выборе яркостного пирометра следует учитывать следующие характеристики:

• Диапазон измеряемых температур
• Спектральный диапазон
• Показатель визирования (оптическое разрешение)
• Погрешность измерения
• Время отклика
• Возможность настройки коэффициента излучения
• Наличие лазерного целеуказателя

Важно подобрать пирометр с подходящим спектральным диапазоном для конкретного применения. Для металлов чаще используют коротковолновые пирометры, для неметаллов — длинноволновые.

Устройство современного яркостного пирометра

Современный яркостный пирометр включает следующие основные компоненты:

1. Объектив для фокусировки излучения
2. Диафрагма для ограничения поля зрения
3. Светофильтр для выделения узкого спектрального диапазона
4. Фотоприемник (фотодиод, фотоумножитель)
5. Усилитель сигнала
6. Аналого-цифровой преобразователь
7. Микропроцессор для обработки сигнала
8. Дисплей для индикации результата
9. Лазерный целеуказатель
10. Блок питания

Многие современные модели оснащаются интерфейсами для подключения к компьютеру и системам сбора данных. Это позволяет автоматизировать процесс измерений и вести непрерывный мониторинг температуры.

Калибровка и поверка яркостных пирометров

Для обеспечения точности измерений яркостные пирометры нуждаются в периодической калибровке и поверке. Основные этапы калибровки:

1. Проверка линейности шкалы
2. Определение градуировочной характеристики
3. Определение поправок к показаниям
4. Оценка погрешности измерений

При поверке сравнивают показания пирометра с эталонным средством измерения температуры. В качестве эталона используются специальные модели абсолютно черного тела или калиброванные термопары.

Периодичность поверки обычно составляет 1 год. При интенсивной эксплуатации рекомендуется проводить калибровку чаще.

Перспективы развития яркостной пирометрии

Основные направления совершенствования яркостных пирометров:

• Расширение диапазона измеряемых температур
• Повышение точности и снижение погрешности измерений
• Улучшение пространственного разрешения
• Разработка мультиспектральных пирометров
• Создание интеллектуальных систем с автоматической коррекцией коэффициента излучения
• Интеграция в системы промышленной автоматизации

Перспективным направлением является создание гибридных приборов, сочетающих функции пирометра и тепловизора. Это позволит получать как точечные измерения, так и температурные карты объектов.

Яркостной пирометр — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Cтраница 1

Схема радиацион — [ IMAGE ] — 5. Кривые чувствительности фото-ногорефлекторного пирометра элементов и человеческого глаза в различ-с термосопротивлением ных областях спектра.  [1]

Яркостные пирометры являются пирометрами частичного излучения, в которых датчик реагирует на узкую часть энергетического спектра, излучаемого объектом измерения. В них используется либо вся область спектральной чувствительности человеческого глаза или фотоэлементов, либо некоторая ее часть.  [2]

Схема радиацион — [ IMAGE ] — 5. Кривые чувствительности фото-ногорефлекторного пирометра элементов и человеческого глаза в различ-с термосопротивлением ных областях спектра.  [3]

Яркостные пирометры также состоят из оптической системы, преобразователя и измерительной цепи. В качестве преобразователя в них служит глаз человека или фотоэлементы, имеющие максимальную чувствительность в видимой или в инфракрасной области спектра.  [4]

Яркостные пирометры, измеряющие яркость нагретого тела в узком диапазоне длин волн излучения.  [5]

Яркостные пирометры, как и радиационные, обладают погрешностью от неполноты излучения; измеряемая ими температура тела Тп называется яркостной температурой.  [6]

Радиационным и яркостным пирометрам присущ общий принципиальный недостаток — условность результатов измерения, поскольку их показания зависят не только от истинной температуры визируемого нечерного тела, но и от черноты его поверхности. Точные значения степени черноты трудно определимы во многих случаях, особенно в случае высоколегированных жидких сплавов, степень черноты которых может изменяться в широких пределах.  [7]

Яркостными пирометрами измеряют спектральную яркость объекта на определенной длине волны, которая сравнивается с яркостью АЧТ. В качестве АЧТ используется спираль специальной лампы накаливания. Ярко-стные пирометры применяют для измерения высоких температур ( св. С), при которых тела начинают излучать в видимой области, а интенсивность излучения достаточна для его регистрации в узком спектральном диапазоне визуально или с помощью фотоприемников типа ФЭУ, фотодиода.  [8]

Зависимость спектральной интенсивности излучения от длины волны и температуры.| Определение яр-костной температуры.  [9]

Действие яркостных пирометров основано на использовании зависимости спектральной интенсивности излучения / я, ( или спектральной яркости В)) тела от его температуры. На рис. 9.7 представлена зависимость / а 0 ( для абсолютно черного тела) от Т для трех значений длины волны в видимом участке спектра. При К 0 65 мкм повышение температуры от 1000 до 2000 К сопровождается возрастанием спектральной интенсивности /, в 6 42 — 104 раза. Аналогичные зависимости наблюдаются и для реальных тел.  [10]

Оптические или яркостные пирометры измеряют температуру по монохроматической яркости тела в видимой области спектра.  [11]

В качестве яркостного пирометра обычно используется пирометр с исчезающей нитью. Используя проградуированный по черному телу миллиамперметр, можно определить яркост-ную температуру.  [12]

В качестве яркостного пирометра обычно используется пирометр с исчезающей нитью. Используя програду-ированный по черному телу миллиамперметр, можно определить яркостную температуру.  [13]

Принципиальная схема яркостпого пирометра с исчезающей питью.  [14]

Принцип действия яркостных пирометров основан на сравнении яркости монохроматического излучения двух тел: эталонного тела и тела, температура которого измеряется.  [15]

Страницы:      1    2    3

пирометры, радиационные термометры, термометры излучения

Содержание

• Введение
• Два основных метода пирометрии
• Спектр электромагнитного излучения
• Монохроматические яркостные пирометры
• Оптическое разрешение
• Излучательная способность (коэффициент излучения)
• Спектральный диапазон пирометра. Эффективная длина волны
• Пирометры спектрального отношения
• Поверка радиационных термометров

Введение

Радиационные термометры (или пирометры) представляют собой 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, или позволяющие получить картину одномерного и даже двумерного распределение температуры на заданной площади измерения. Радиационные термометры очень широко используются в различных отраслях промышленности: металлургии, производстве стекла и керамики, полупроводников, пластика, бумаги и т.д. Радиационные термометры используются также в медицине, криминалистике, системах спасения людей и охраны.

Главная трудность состоит в измерении температуры тела, излучательная способность которого неизвестна. Объект измерения чаще всего далек от абсолютно черного тела, это может быть окисленная поверхность, полупрозрачное стекло, зеркальная поверхность и т. д. Кроме того, возникают трудности учета излучения, испущенного 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.

Приборы этого типа имеют множество наименований: оптические пирометры, радиационные пирометры, пирометры полного излучения, автоматические инфракрасные термометры, термометры непрерывного излучения, линейные сканеры, тепловизионные радиометры, поверхностные пирометры, пирометры отношения, двухцветовые пирометры и т.п. Эти наименования больше связаны с назначением приборов. Общий термин, который применим к данному классу приборов и имеет техническое функциональное значение – радиационные термометры.

В последнее время возрос интерес к формированию международной универсальной терминологии в неконтактной термометрии и разработке номенклатуры международных требований к характеристикам радиационных термометров. Так, в 2006-2007 разрабатывался новый стандарт МЭК “Технические требования к радиационным термометрам”. (IEC TS 62492 Radiation thermometers — Part 1: Specifications for Radiation Thermometers). Новый стандарт введен в обращение в марте 2008 г. Об участии российских специалистов в разработке стандартов МЭК cм. раздел РГЭ.
Подробный анализ терминологии в области пирометрии и тенденций в развитии терминов дается в опубликованной на сайте статье директора ООО «ТЕХНО-АС» С.С. Сергеева «Тенденции изменения терминологии в пирометрии». Приглашаем обсудить базовые термины в разделе форума «Термины и определения в области термометрии».
Радиационные термометры представляют собой развивающиеся приборы, множество докладов на международных конференциях и множество публикаций в журналах посвящено совершенствованию неконтактных методов измерения температуры и повышению их точности. Надеемся, что на нашем сайте Вы сможете прочитать статьи о новинках в этой области в разделах «публикации» , «производители неконтактных датчиков температуры», «каталог приборов».

Два основных метода пирометрии

Практическая пирометрия возникла на рубеже 19 и 20-го веков. Примерно тогда же и сформировались два основных метода пирометрии: радиационная (яркостная) пирометрия и цветовая пирометрия. Названия эти с течением времени менялись и корректировались, но суть методов осталась неизменной. Метод яркостной пирометрии (называемой также радиационной пирометрией, пирометрией по излучению) использует зависимость энергетической яркости излучения объекта в ограниченном диапазоне длин волн от его температуры. Другими словами, яркость излучения объекта зависит от его температуры. Следовательно, измерив яркость излучения объекта, мы можем измерить (с той или иной точностью) значение температуры объекта. Таким образом, ключевым элементом радиационного пирометра является приемник излучения, преобразующий приходящую на него энергию излучения в иную физическую величину, чаще всего в ток или в напряжение. Его дополняют оптическая система, собирающая в определенном телесном угле излучение от объекта, и 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. Другими словами, от температуры нагретого объекта зависел цвет его излучения. Объекты, нагретые до 700–800°С, светят темно-оранжевым светом, при 1000–1200°С цвет свечения становится 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 электрический ток, 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. Кстати, отсюда пошло и распространенное в литературе название подобных пирометров – пирометры с исчезающей нитью.
В силу особенностей человеческого зрения описанный метод при опоре на восприятие цвета человеческим глазом имеет серьезные ограничения в точности и повторяемости результатов измерений. Поэтому с развитием компонентной базы весьма субъективные визуальные измерения были вытеснены измерениями с помощью нескольких приемников излучения, работающих в различных спектральных диапазонах. Таких приемников может быть и три, и семь, но на практике чаще всего ограничиваются двумя. Таким образом, в настоящее время этот метод основан на зависимости от температуры отношения энергетических яркостей объекта в двух различных областях спектра излучения. Соответственно, этот метод получил название метода пирометрии спектрального отношения. (Источник: ФОТОНИКА 4/2009)

Спектр электромагнитного излучения

По спектральному диапазону термометры излучения могут быть разделены на следующие виды: полного излучения, широкополосного излучения, узкополосного излучения (монохроматические). Широкополосные пирометры работают обычно в широком диапазоне волн от 0,3 мкм до 2,5 — 20,5 мкм. Для наглядности приведем полный спектр электромагнитного излучения, где указаны границы ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей. (Источник: en.wikipedia.org)

Монохроматические яркостные пирометры

В 21 веке бесконтактные термометры, которые наиболее часто стали называть ИК-термометрами, что означает инфракрасные радиационные термометры, стали особенно востребованным и популярным видом температурных приборов. Существует множество разновидностей пирометров и инфракрасных приборов. Приборы, дающие возможность получить изображение распределения температуры по поверхности объекта называют тепловизорами или тепловизионными камерами. Несмотря на то, что по точности пирометры сильно уступают контактным датчикам температуры, они незаменимы там, где необходимо быстро и безопасно сделать отсчет температуры поверхности. Инфракрасные термометры применяются для диагностики тепловых и электрических линий передачи, источников тока, обнаружения неисправностей, вызванных утечками тепла, коррозией контактов и т. д. Данный вид приборов востребован также там, где трудно или невозможно использовать контактный датчик — для оценки температуры сильнонагретых движущихся объектов, мощных моторов и турбин, расплавленных металлов. Одним из самых новых применений инфракрасных термометров является медицинская диагностика.

Большинство современных ИК термометров представляют собой портативные и, как правило, очень простые в обращении приборы. Однако существуют особенности их применения, которые необходимо учитывать пользователям, рассчитывающим получить наиболее точный результат измерения температуры. Критическими параметрами любого инфракрасного термометра являются оптическое разрешение и излучательная способность.

Оптическое разрешение

Иногда оптическое разрешение называют показателем визирования. Оптическое разрешение определяется отношением диаметра пятна (круга) на поверхности, излучение с которого регистрируется пирометром к расстоянию до объекта. Чтобы правильно выбрать прибор, необходимо знать сферу его применения. Если нужно измерять температуру объекта с расстояния 4 метра, то ИК термометр с оптическим разрешением 4:1 вряд ли подойдет. Диаметр излучающей поверхности будет слишком большой, и в поле зрения термометра попадут посторонние объекты. Лучше выбрать разрешение, по крайней мере, 50:1. Однако если необходимо принимать излучение с небольшого расстояния, то лучше выбрать термометр с разрешением 4:1, т.к у него будет больше минимальная допустимая площадь излучения. Необходимо иметь ввиду, точность измерений температуры может значительно снижаться, если пользователь ошибочно нацеливает ИК термометр на большую площадь, чем площадь измеряемого объекта. У большинства современных термометров имеется специальный лазерный целеуказатель для точного наведения на объект измерения.
.
На рисунке изображен пирометр с оптическим разрешением 6:1 (изображение с сайта компании Fluke) .
.

Излучательная способность (коэффициент излучения)

Коэффициент излучения (называемый иногда «степень черноты») характеризует способность поверхности тела излучать инфракрасную энергию. Этот коэффициент определяется как отношение энергии, излучаемой конкретной поверхностью при определенной температуре к энергии излучения абсолютно черного тела при той же температуре. (см. также раздел СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ). Он может принимать значения от очень малых, ниже 0,1 до близких к 1. ИК термометры, как правило, дают возможность устанавливать для каждого объекта свой коэффициент излучения. Неправильный выбор коэффициента излучения – основной источник погрешности для всех пирометрических методов измерения температуры. Как выбрать степень черноты? Существуют справочные таблицы, показывающие степень черноты для различных материалов и различной обработки поверхности. Таблицы для некоторых распространенных материалов приведены в разделе сайта «Справочник». Необходимо отметить, что на коэффициент излучения сильно влияет окисленность поверхности металлов. Так, если для стали окисленной коэффициент составляет примерно 0,85, то для полированной стали он снижается до 0,075.
Можно также использовать экспериментальные методики. Наиболее распространены в методиках поверки пирометров и тепловизионных термометров следующие методы определения коэффициента излучения.

1. Определите действительную температуру объекта с помощью контактного датчика — термопары, термометра сопротивления и т.д. Затем измерьте температуру с помощью пирометра и подберите такую степень черноты, чтобы показания пирометра совпали с показаниями контактного датчика.
2. При сравнительно низких температурах объекта (до 250°С) можно наклеить на участок поверхности объекта ленту черного цвета (например, электроизоляционную). Затем измерьте температуру ленты с помощью пирометра при установленной степени черноты 0,95. После этого измерьте с помощью пирометра незакрытую лентой часть объекта и подберите такую степень черноты, чтобы показания пирометра совпали с результатом измерения ленты.
3. Если часть объекта может быть окрашена, окрасьте ее матовой черной краской, которая имеет степень черноты около 0,98. Затем измерьте температуру окрашенного участка с помощью пирометра при установленной степени черноты 0,98. После этого измерьте с помощью пирометра неокрашенную часть объекта и подберите такую степень черноты, чтобы показания пирометра совпали с результатом измерения на окрашенном участке.
(источник: методика поверки ИК-пирометров «Термоскоп-100» ООО «Инфратест»). .

Следует отметить, что коэффициент излучения зависит от длины волны. Он тем выше, чем короче длина волны. Кроме того, ошибка, вызванная неточным определением коэффициента излучения, будет пропорциональна эффективной длине волны.

В случаях, когда, например, надо измерять температуру поверхности частично окисленного металла преимущество коротковолновых пирометров очевидно, т.к. окисленный слой будет иметь высокую и стабильную излучательную способность скорее при короткой длине волны, чем при длинной. Кроме того, коротковолновые яркостные пирометры обычно менее подвержены влиянию атмосферного поглощения, чем пирометры широкого спектра. Если поглощение вызвано частицами или каплями на пути визирования, уменьшенное значение погрешности при коротких волнах будет иметь меньшую относительную зависимость измерений температуры от энергии.

Поэтому там, где требуется высокая точность измерения температуры поверхности рекомендуется использовать коротковолновый яркостный пирометр.

Название “коротковолновый” – относительное, например при Т=1000°С 1мкм – короткая длина волны; в то время как при Т=10°С 10 мкм также считается короткой длиной.

За критерий эффективной длины волны для отнесения пирометра к достаточно “коротковолновому” принимается максимальная длина волны, которая должна быть настолько короткой, чтобы обеспечить достаточную энергию для получения необходимого отношения сигнал-шум от детектора при минимальной измеряемой температуре.

При выполнении теоретического анализа эффективной длины волны обычно исходят из предположения, что пирометры используют узкий диапазон волн и поэтому изменение показаний в зависимости от изменения температуры может быть определено по закону Планка.

где I(ν)dν — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне частот от ν до ν + dν.

это выражение эквивалентно следующему:

где u(l)dl — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне длин волн от l до l + d l

Спектральный диапазон пирометра. Эффективная длина волны

На практике, большинство приемников излучения имеет существенно широкий диапазон волн и даже использование фильтров не достаточно ограничивает диапазон волн, чтобы можно было считать его строго монохроматическим. Однако кривая энергии в зависимости от длины волны очень крутая при короткой длине волны, и показания пирометров четко согласуются в значительном температурном диапазоне с расчетами Планка, соответствующими длине волны близкой к “отсечной” верхней длине волны системы приемник-фильтр. Понятие эффективной длины волны является весьма удобным для оценки скорости изменения энергии (и следовательно показаний пирометра) с изменением температуры, а также погрешности, возникающей от ошибки в определении коэффициента излучения поверхности.

В МЭК 62942 дано следующее определение спектрального диапазона и эффективной длины волны пирометра:

4. 1.1.9 Спектральный диапазон

Спектральный диапазон приводится в мкм или нм. Спектральный диапазон определяется как нижний и верхний предел длины волны при достижении спектральной чувствительности 50 % от пика чувствительности. Может также приводится основная (эффективная) длина волны и полная ширина полосы пропускания, в которой чувствительность достигает 50 % от пика чувствительности (полная ширина на половине максимума (FWHM)).
Общепринято для монохроматичеких пирометров приводить эффективную длину волны в спектральном диапазоне и полную ширину на половине максимума (FWHM), а для широкополосных пирометров приводить верхний и нижний предел.

Приведем таблицу из МЭК 62942 (приложение 1), демонстрирующую изменение показаний пирометра, соответствующее изменению принимаемого излучения на 1 %, при опорной температуре пирометра 23 °С

Изменение в индицируемой температуре соответствующее изменению принятого пирометром потока излучения рассчитывалось как:

В следующей таблице приведена погрешность, обусловленная 10% изменением излучательной способности при 500°С.

Из приведенных данных следует, что всегда следует выбирать пирометр с самой короткой длиной волны, которая позволяет провести необходимые измерения самой низкой температуры в диапазоне измерения.

Кроме сложности учета коэффициента излучения объекта, яростные пирометры имеют ряд иных существенных недостатков, их результаты зависят от: расстояния до измеряемого объекта, формы объекта, запыленности и загазованности промежуточной среды, наличия защитных стекол и непрозрачных объектов в поле зрения пирометра, боковых засветок при работе с крупноразмерными объектами, переотражений измеряемым объектом излучения сильно нагретых объектов, расположенных рядом. Как видите, факторов, мешающих получению радиационными пирометрами точных результатов, набирается с десяток. Именно поэтому пользователи все чаще и чаще задумываются об использовании пирометров спектрального отношения, более дорогих, чем радиационные, но свободных от многих вышеперечисленных недостатков.

Пирометры спектрального отношения

Пирометры спектрального отношения определяют температуру объекта по отношению сигналов от двух приемников, работающих на разных длинах волн. Такой принцип измерения температуры позволяет избавиться от большинства недостатков, свойственных яркостным пирометрам. Зависимость сигнала от расстояния одинакова для обоих приемников пирометра спектрального отношения, поэтому на отношение сигналов она не влияет. Форма измеряемого объекта, запыленность и загазованность промежуточной среды одинаково влияют на сигналы с обоих приемников, оставляя неизменным их отношение.

Пирометры спектрального отношения нечувствительны к боковым засветкам от крупноразмерных объектов, наличию небольших непрозрачных объектов в поле зрения пирометра, к наличию защитных стекол, например стекол смотровых окон в вакуумных камерах. Отношение сигналов по-прежнему остается неизменным. Да и отличие значения коэффициента излучения?измеряемого объекта от 1 чаще всего приводит к одинаковому уменьшению сигналов с обоих приемников. Поэтому отношение сигналов слабо зависит от излучательной способности ?объекта.

Необходимо отметить два основных недостатка пирометров спектрального отношения. Во-первых, пирометр спектрального отношения сложнее радиационного, априори состоит из большего числа элементов, труднее калибруется. Поэтому стоимость таких пирометров больше, чем монохроматические. Во-вторых, излучательная способность измеряемого объекта все же? влияет на результаты измерений. Точнее, результат измерения пирометра спектрального отношения зависит не столько от величины излучательной способности или от ее изменения от объекта к объекту, сколько от спектральной зависимости коэффициента излучения от длины волны. С ростом длины волны спектральная излучательная способность снижается. Это приводит к тому, что сигнал длинноволнового приемника пирометра спектрального отношения оказывается заниженным по сравнению с коротковолновым. По этой причине показания пирометра спектрального отношения оказываются завышенными нередко более чем на 10%.

В некоторых современных пирометрах спектрального отношения применяется специальная техника автоматической коррекции влияния изменения коэффициента излучения от длины волны. Для ряда материалов, в том числе высоколегированных сталей, была исследована зависимость коэффициента излучения от длины волны и подобрана универсальная корректирующая кривая, подходящая как для чистого железа и высоколегированных сталей, так и для ряда других металлов (никель, кобальт и т.п.). При этом для большинства этих металлов коррекция возможна до уровня, при котором погрешность измерений в диапазоне температур от 600 до 2400°С составляет всего 1–1,5% (для кобальта –до 2%). Указанный способ коррекции не только сохраняет все преимущества, которыми обладают пирометры спектрального отношения, но и избавляет пользователя от необходимости вводить в прибор корректирующий коэффициент, значение которого ему неизвестно, и заменяет механическую подстройку. Поэтому измерения температуры многих металлов выполняются без роста погрешности во всем диапазоне измеряемых температур. (Источник: А.Фрунзе « Пирометры спектрального отношения: преимущества, недостатки и пути их устранения», ФОТОНИКА 4/2009)

Использование трех спектров также позволяет существенно снизить зависимость погрешности измерения от изменения величины коэффициента излучения и от изменения отношения ε1/ε2. (источник: Сергеев С.С. «Повышение точности измерения температуры с использованием новых моделей пирометров фирмы «ТЕХНО-АС», сайт www.technoac.ru)

Что нужно знать пользователям пирометра

Эволюция пирометра прошла путь от одноцветного к двухцветному и к многоцветному пирометру; признавая, что пирометрия может измерять только твердые и жидкие объекты, каждый шаг в развитии решал проблемы, которые раньше были неразрешимы.

Радиационная термометрия, также известная как инфракрасная пирометрия, оптическая пирометрия или просто пирометрия, представляет собой метод бесконтактного измерения температуры, который требует измерения некоторой части теплового излучения, испускаемого горячим объектом. Пирометр, измерительный прибор, должен смотреть через какую-то среду на излучающую цель. Доступно несколько различных типов пирометров; некоторые предъявляют строгие требования к оператору, а некоторые менее требовательны. Чтобы сделать правильный выбор пирометра, необходимо учитывать окружающую среду и цель. Влияет ли окружающая среда каким-либо образом на излучение, и если да, то какая коррекция требуется? Обладает ли мишень характеристиками идеального излучателя, и если нет, то какая коррекция требуется? Эти проблемы затрудняют бесконтактное измерение температуры, но и вознаграждение за успех является существенным. В перерабатывающей промышленности возможность быстрого, точного бесконтактного измерения температуры обеспечивает автоматическое управление процессом, повышает качество и производительность, а также снижает потребление энергии. К счастью, пирометрия прошла долгий путь за относительно короткий период, и большую часть неопределенности можно развеять.

Проблемы бесконтактного измерения температуры связаны с измеряемым материалом, средой измерения и самими пирометрами.

Основы пирометрии

Подавляющее большинство пирометров основано на некотором аспекте закона Планка, согласно которому спектр излучения горячего объекта определяется только его температурой. В конце 19 века Макс Планк рассматривал проблему излучения черного тела, также известного как излучение полости. В то время не существовало теории, которая могла бы описать данные из этого источника. На самом деле физики считали эту проблему одним из двух случаев, оставшихся нерешенными в их дисциплине. (Они были немного оптимистичны.) Это назвали «Ультрафиолетовой катастрофой», потому что уравнения, которые соответствовали данным для более длинных волн, предсказывали бесконечное излучение в более коротких ультрафиолетовых длинах волн. Однако в действительности излучение на этих длинах волн уменьшалось до нуля, так что между теорией и реальностью существовала весьма существенная разница. Планк решил этот конфликт математической подстановкой: он заменил интеграл рядом. Это может показаться эзотерическим, но результат был ошеломляющим. Он подразумевал квантование энергии (лазеры, туннельные диоды, ядерные бомбы и т. д.). Планк знал об этом (часть квантования, а не часть бомбы) и на какое-то время спрятала данные, так как не хотела иметь дело с неизбежной обратной связью.

Для пользователей пирометров одним из следствий математической замены Планка является тот факт, что пирометрия работает только с твердыми телами и жидкостями. Непрерывное излучение тепловой мишени возникает только тогда, когда излучающие электроны находятся близко друг к другу, как в твердых телах и жидкостях. Твердые или жидкие вещества, взвешенные в газе, могут быть приемлемыми источниками теплового излучения, но сам газ — нет.

Еще одним следствием является то, что не отдельный фотон несет информацию о температуре, а информация содержится в распределении длины волны света в тепловом спектре. Таким образом, все, что меняет это распределение, приводит к ошибке в измерении.

Коэффициент излучения

В идеальном случае свет, излучаемый тепловой мишенью, зависит только от температуры. На самом деле коэффициент излучения (также известный как коэффициент излучения) материала мишени изменяет излучаемый спектр как множитель математической формулировки закона Планка. Коэффициент излучения — это не что иное, как эффективность излучателя на каждой излучаемой длине волны. Излучательная способность колеблется от нуля до единицы; очевидно, его влияние может быть очень большим.

Чтобы еще больше запутать проблему, излучательная способность является не свойством материи, а свойством конкретного рассматриваемого образца. Ключевыми параметрами, влияющими на коэффициент излучения образца, являются отделка поверхности, химический состав, степень окисления, фаза, длина волны, при которой требуется коэффициент излучения, и сама температура. Графит является одним из наиболее распространенных и известных огнеупорных материалов. На рис. 1 показана зарегистрированная излучательная способность графита в зависимости от температуры.

Рис. 1: Излучательная способность графита по теплофизическим свойствам вещества. [1]

Число, связанное с каждой трассой, описывает условия для этого измерения. Ясно, что приведенные значения сильно различаются: от менее 0,3 до 0,99. Некоторые показывают температурную зависимость, а некоторые нет. И это для материала, графита, который считается хорошим.

Пирометры и их развитие

Идея коэффициента излучения и развитие пирометров тесно связаны. Первые пирометры, появившиеся в начале прошлого века, были просто люксметрами. Они измерили количество света, и это количество было связано с температурой. Этот тип пирометра известен как одноцветный или яркостный пирометр. Хотя термин «одноцветный» подразумевает одну длину волны, все такие устройства на самом деле используют диапазон волн — некоторую непрерывную группу длин волн. Если производитель указывает интегральную длину волны для устройства, это эффективная длина волны, что означает, что математика работает для этого значения. Диапазон волн может быть как широким, так и узким по желанию. Это повышает вероятность того, что два пирометра разного производства, оба из которых используют одну и ту же длину волны, могут потребовать разного значения коэффициента излучения для правильного определения температуры одной и той же цели. Оператор должен знать и ввести коэффициент излучения в этом типе пирометра.

Из рисунка 1 видно, что это сложная задача. К середине прошлого века решение появилось. Был разработан двухцветный или пропорциональный пирометр. Этот инструмент воспользовался преимуществом математической обработки закона Планка. Если измерять интенсивность теплового излучения на двух длинах волн (тоже «цветах», но фактически полосах волн, как и в одноцветном пирометре), отношение этих интенсивностей можно решить для температуры, а выражение для коэффициента излучения можно найти отменен. Это сработало для графита и других огнеупоров, но не сработало для важного класса материалов: металлов. Чтобы коэффициент излучения компенсировался, он должен быть одинаковым на обеих длинах волн; цель с постоянным коэффициентом излучения в зависимости от длины волны описывается как полуидеальная или «серая». Но металлы обычно показывают зависимость коэффициента излучения от длины волны (т. е. не серые), как показано на рисунке 2 для вольфрама. Опять же, каждая пронумерованная трасса была измерена в разных условиях. Вольфрам является хорошим примером несерого металла, потому что он широко изучался на предмет его использования в осветительных приборах, но следует отметить, что каждый металл в указанном объеме демонстрирует аналогичную спектральную зависимость коэффициента излучения. Для пирометров отношения оператор должен либо предположить, что отношение коэффициентов излучения равно единице, либо ввести коэффициент «несерости», что является еще более сложной задачей.

Рисунок 2: Спектральная излучательная способность вольфрама. [2]

В конце прошлого века было разработано еще одно решение, направленное на отсутствие серости (спектральное изменение коэффициента излучения) металлов. Спектропирометры или многоцветные (многоволновые) пирометры измеряют очень узкие полосы волн в больших спектральных областях. Затем очень большой объем данных обрабатывается для определения коэффициента излучения во время измерения, что устраняет неопределенность неизвестного коэффициента излучения. Эти инструменты доступны уже около 25 лет и позволили решить некоторые ранее неразрешимые проблемы. На рис. 3 показан никелевый суперсплав, обрабатываемый в вакуумной индукционной печи для литья по выплавляемым моделям, с контрастными результатами одноцветного пирометра и спектропирометра [3]. Оператор быстро расплавил образец, несколько раз менял мощность и сразу после 11:00 оставил расплав остывать естественным образом. Спектропирометр зафиксировал изменение коэффициента излучения при плавлении, замерзании и изменении состава; коэффициенты излучения твердой фазы до и после плавления различались на 10%. Пирометр яркости сообщает о невозможности повышения температуры без добавления мощности. Это связано с тем, что его коэффициент излучения был установлен операторами на 0,3, но по мере замерзания металла его коэффициент излучения фактически увеличивается с 0,2 до 0,6.

Рисунок 3: Суперсплав никеля, обработанный в индукционной печи для литья по выплавляемым моделям; верхние кривые — температура, отложенная по левой оси; нижняя кривая — коэффициент излучения, отложенный по правой оси; горизонтальная полоса показывает фазу материала для каждого периода времени.

Окружающая среда: Помехи

Установлено, что для определения температуры излучающего объекта необходимо точно измерить некоторый участок теплового спектра. Окружающая среда может мешать по-разному. Материал на оптическом пути может поглощать часть излучения. Другие материалы, находящиеся на пути или поблизости, могут излучать собственное тепловое излучение, которое может попасть в оптику прибора либо напрямую, либо путем отражения.

Одним из распространенных объектов на пути обзора может быть окно или смотровое стекло печи или технологической камеры. Идеальное оптическое окно, одинаково пропускающее все длины волн, будет блокировать около 7 процентов падающего теплового излучения просто за счет отражения от двух его поверхностей. Для одноцветного пирометра оператор должен изменить настройку коэффициента излучения, чтобы учесть это; двухцветный пирометр или спектропирометр не показали бы никакого эффекта. Для сравнения, передача неидеального окна показана на рис. 4.9.0003 Рисунок 4: Окно цеха литья по выплавляемым моделям.
м цех литья по выплавляемым моделям.

Это окно повлияет на все пирометры не сразу. Решением для таких окон является либо замена, либо калибровка выбранным инструментом.

Другие воздействия на окружающую среду могут исходить от газообразных побочных продуктов процесса или метода нагрева. Газы могут поглощать излучение или излучать излучение в зависимости от их температуры. Материал, выбрасываемый в процессе, также может поглощать или излучать. На рис. 5 показан довольно экстремальный случай — выпускка доменной печи. Желтый и красный цвета над отливкой представляют собой натрий и калий в парообразном состоянии, излучающие свои соответствующие первичные длины волн (линии) из-за высокой температуры процесса. Повсюду видны искры различных желто-золотых цветов. Интерференция газа будет влиять на одноцветный пирометр случайным образом, поскольку концентрация газа не является постоянной. Двухцветные пирометры будут затронуты, если линии Na и K находятся в пределах любого из их диапазонов волн. Эти газовые линии не будут влиять на спектропирометр, будь то излучение или поглощение.

Рис. 5: Отходящие газы, искры и взвешенные в воздухе жидкости: летка доменной печи при разливке.

Искры — другое дело. Тепловое излучение от нежелательного объекта, будь то искра, мебель печи или стенка печи, может проникать непосредственно путем излучения или косвенно путем отражения. Ни один прибор не может отделить тепловое излучение нежелательного объекта от теплового излучения желаемого объекта. Когда сливки находятся в кофе, их нельзя удалить. Решения для этого случая состоят в том, чтобы проводить измерения только при отсутствии искр, измерять все время и отбрасывать данные с искрами (это могут делать спектропирометры) или спроектировать путь измерения таким образом, чтобы исключить нежелательное излучение.

Выводы

Проблемы бесконтактного измерения температуры связаны с измеряемым материалом, средой измерения и самими пирометрами. Материальная проблема заключается в коэффициенте излучения, который зависит от обработки поверхности, состава, окисления, фазы, длины волны и самой температуры. Металлы, которые в основном не серые, в результате могут проявлять как серый, так и несерый цвет. Это непрекращающееся изменение наблюдается во многих термических процессах, где весь смысл операции заключается в превращении исходного сырья в готовый продукт.

Проблема с окружающей средой — помехи. Тепловое излучение цели поглощается окнами и газами. Блуждающее тепловое излучение от любого нагретого источника может попасть в оптику при наличии пути. Отражения от этих же нагретых источников и даже от самой цели могут отражаться в зоне нагрева и попадать в оптику, искажая измерения.

Эволюция пирометра прошла путь от одноцветного к двухцветному и к многоцветному пирометру. Признавая, что пирометрия может измерять только твердые и жидкие объекты, каждый шаг в развитии решал проблемы, которые раньше были неразрешимы. Одноцветность сделала возможным бесконтактное измерение температуры. Двухцветный прибор точно измерял температуру серых материалов, но выдавал большие ошибки, когда сталкивался с отсутствием серости металлов. На текущем этапе эволюции многоцветный пирометр учитывает как неизвестную, так и изменяющуюся излучательную способность, а также отсутствие серого цвета металлов для получения точных значений температуры.

Литература

1. Теплофизические свойства вещества, Тепловые радиационные свойства Vol. 8: Неметаллические твердые вещества, Ю.С. Тулукиан, IFI/Plenum, Нью-Йорк, 1970.
.
2. Теплофизические свойства вещества, Тепловые радиационные свойства, Том 7: Металлические элементы и сплавы, Ю.С. Тулукиан, IFI/Plenum, Нью-Йорк, 1970.
.
3. Материалы 9-го Международного температурного симпозиума, Vol. 8, «Пирометрия материалов с изменяющейся спектрально-зависимой излучательной способностью — твердые и жидкие металлы», Р. Феличе и Д. Нэш, AIP, 2012 г.

Оптический пирометр — конструкция, принцип работы, преимущества и недостатки

29 июня 2021 г.

Оптический пирометр — это устройство, используемое для измерения температуры. Это прибор для измерения температуры бесконтактного типа, то есть он измеряет температуру без какого-либо контакта с телом, температура которого измеряется. Следовательно, он может измерять более высокие температуры, когда есть вероятность повреждения датчиков, измеряющих высокую температуру, путем физического контакта.

Измеряет температуру горячих тел, измеряя тепловое излучение, испускаемое этим телом. Оптический пирометр также называют пирометром с исчезающей нитью. Рассмотрим его конструкцию и принцип работы.

Принцип работы оптического пирометра :

Измерение температуры с помощью оптических пирометров основано на принципе сравнения яркостей. Яркость, создаваемая горячим объектом (температура которого измеряется), сравнивается с яркостью эталонной лампы температуры.

Яркость лампы эталонной температуры регулируется до тех пор, пока она не станет равной яркости горячего тела. Величина тока, проходящего через нить накала лампы, когда обе яркости становятся равными, дает температуру измеряемого горячего тела.

Конструкция оптического пирометра:

Конструкция оптического пирометра или пирометра с исчезающей нитью довольно проста. Он состоит из лампы эталонной температуры, абсорбционного экрана, объектива, красного фильтра и окуляра. На приведенном ниже рисунке показано систематическое расположение оптического пирометра.

Представляет собой цилиндрическую внутреннюю часть с линзой объектива и поглощающим экраном с одной стороны и красным фильтром и окуляром с другой стороны. Лампа эталонной температуры размещается между абсорбционным экраном и красным фильтром, который через реостат и измеритель ПММС подключается к источнику питания.

Интенсивность лампы можно регулировать, изменяя реостат, т. е. изменяя ток через нить накала лампы. Красный фильтр пропускает только узкую полосу длин волн для наблюдателя, наблюдающего через окуляр. Поглощающий экран увеличивает диапазон измерения температуры прибора.

Работа оптического пирометра :

Для измерения температуры тела излучение, испускаемое этим телом, направляется на нить накала лампы эталонной температуры. Теперь, наблюдая через окуляр за нитью накала лампы, яркость лампы меняют до тех пор, пока яркость лампы эталонной температуры и излучения, испускаемого горячим телом, не станут одинаковыми. Когда яркость нити накала лампы и горячего тела сравняется, нить накала исчезнет.

Поскольку излучения исходят от горячего тела, т. е. яркость горячего тела зависит от его температуры, а яркость лампы зависит от тока, проходящего через нить накала.

Температуру можно определить путем калибровки оптического пирометра по току, протекающему через нить накала лампы. Следовательно, показания измерителя PMMC, измеряющего ток через нить накала лампы, дают температуру горячего тела.

На рисунке (iii) выше показано исчезновение нити накала лампы, когда яркость горячего тела и эталонной температуры лампы становится одинаковой. Когда яркость лампы ниже, чем яркость горячего тела, нить накала лампы кажется темной, как показано на рисунке (i) выше. Точно так же, когда яркость горячего тела ниже яркости лампы эталонной температуры, нить накала лампы кажется яркой, как показано на рисунке (ii).

Введение: обзор различных…

Пожалуйста, включите JavaScript

Введение: Обзор различных типов термометров

Преимущества оптического пирометра:

• Точность оптических пирометров достаточно высока.