6. Бесконтактное измерение температуры

Тела при нагреве до 500 °С испускают инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. При дальнейшем повышении температуры тело начинает светиться сначала темнокрасным цветом, а затем, по мере роста температуры, красным, оранжевым, желтым и, наконец, белым. С повышением температуры тела возрастает также интенсивность монохроматического излучения и еще в большей мере – полное интегральное излучение энергии. Приборы, предназначенные для контроля температуры путем измерения энергии, излучаемой нагретым телом, называют пирометрами. В зависимости от принципа работы различают пирометры суммарного излучения (измеряется полная энергия излучения), частичного излучения (измеряется энергия участка спектра излучения, ограниченного фильтром) и спектрального отношения (измеряется отношение энергий фиксированных участков спектра).

В основу пирометра первого типа положена зависимость между температурой тела и его суммарной энергией излучения. Полная энергия Е₀, излучаемая абсолютно черным телом, при температуре Т определяется выражением

где σ₀ – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, Вт/(м²К⁴).

Радиационной температурой реального тела называется такая температура черного тела, при которой суммарная энергия излучения черного тела Е₀ равна энергии излучения реального тела Е, т. е.

или

Отсюда

где Т_ист – истинная температура реального тела; ε_р – интегральная степень черноты тела, зависящая от температуры и физико-химической природы тела.

К основным узлам радиационного пирометра, являющегося измерителем полного излучения, относятся оптическая система и термочувствительный элемент – батарея термопар и измерительный прибор.

Радиационный пирометр РАПИР предназначен для измерения температуры в диапазоне +400 ... +2500 °С. Основным узлом прибора является телескоп ТЭРА-50 (рис. 60, а). Телескоп состоит из корпуса 1, внутри которого установлена линза-объектив 2, фокусирующая через диафрагму 3 поток лучистой энергии нагретого тела на термочувствительный элемент 4 (рис. 60, б). Диаграмма ограничивает телесный угол визирования, что исключает влияние размеров нагретого тела и его расстояния до телескопа на показания.

Рис. 60. Телескоп ТЭРА-50 радиационного пирометра:

а – конструкция; б – термочувствительный элемент

Сигнал, преобразованный чувствительным элементом в термоЭДС, измеряется вторичным прибором, которым может быть потенциометр или милливольтметр. Для правильной наводки телескопа служит линза окуляра 5, установленная в крышке 6 телескопа. Там же установлен светофильтр 7, предназначенный для защиты глаза наблюдателя при наводке на тело, нагретое до высокой температуры.

С помощью фланца 8 корпус крепится к защитной арматуре. В комплект защитной арматуры входят узлы воздушного и водяного охлаждения и калильные трубки, предназначенные для измерения температуры рабочего пространства топливных печей в случае сильной загрязненности и наличия пламени.

Чувствительный элемент выполнен из десяти хромель-копелевых термопар, соединенных последовательно, что позволяет значительно повысить чувствительность прибора. Для лучшего поглощения тепловой энергии к рабочим концам термопар припаяны зачерненные с лицевой стороны тонкие пластины из платиновой фольги. Свободные концы термопар приварены к тонким пластинам, с помощью которых термопары крепят на слюдяном кольце.

В зависимости от диапазона измеряемой температуры выпускают три типа телескопов (ТЭРА-50), отличающиеся друг от друга устройством чувствительного элемента. Кроме описанной выше конструкции в качестве чувствительного элемента используют батареи миниатюрных термометров сопротивления или различные полупроводниковые фоторезисторы.

На показания радиационных пирометров оказывает влияние поглощение лучистой энергии водяными парами и углекислым газом, которые имеются в воздухе. Поэтому оптимальным считается расположение пирометра на расстоянии 0,8-1,3 м от объекта измерения.

Радиационные пирометры применяют для автоматического контроля и регулирования температуры в рабочем пространстве плавильных и топливных термических печей, соляных ванн, т. е. в тех случаях, когда приборы для измерения температуры контактным методом применять невозможно вследствие разрушения их чувствительных элементов при высоких температурах.

Ко второй группе приборов относятся оптические и фотоэлектрические пирометры.

Рис. 61. Оптический пирометр с исчезающей нитью:

а – схема прибора; б, в и г – изображение нити на фоне объекта измерений (б – яркость нити меньше яркости объекта; в – яркость нити больше яркости объекта; г – яркость нити совпадает с яркостью объекта)

Принцип действия (рис. 61) оптического пирометра с «исчезающей» нитью основан на сравнении яркостей объекта измерения и нити фотометрической лампы накаливания. Пирометр состоит (рис. 61, а) из передвижного объектива 3 с линзой 2, фотометрической лампы накаливания 4, яркость нити которой регулируется реостатом 7. Для питания лампы используется батарея 8. Оператор-пирометрист, смотрящий в окуляр 6, должен направить телескоп пирометра таким образом, чтобы видеть нить фотометрической лампы на фоне раскаленного тела 1, температуру которого необходимо измерить. Передвижением окуляра 6 и объектива 3 он добивается получения изображения раскаленного тела и нити лампы в одной плоскости. Перемещением движка реостата 7 оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу и добивается уравнения яркостей нити и раскаленного тела. Если яркость нити меньше яркости тела, то нить на фоне тела выглядит черной полоской (рис. 61, б), при большей температуре нити она будет выглядеть как светлая дуга на более темном фоне (рис. 61, в). При равенстве яркостей нити и тела последняя как бы «исчезает» из поля зрения оператора (рис. 61, г), что свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. В этот момент производится отсчет измеряемой температуры по милливольтметру 9, который заранее проградуирован в градусах Цельсия. Красный светофильтр 5 пропускает область светового потока с длиной волны 0,65 мкм и шириной около 0,1 мкм. Данный тип пирометра имеет шкалу с двумя пределами измерений: 800 ... 1400 °С и 1200 ... 2000 °С. При измерении температур, лежащих во втором интервале, погрешность прибора составляет ±20 °С.

На точность измерения этим прибором оказывают влияние расстояние до объекта измерения, запыленность помещения и попадание посторонних лучей. Так как оптический пирометр является прибором с ручной наводкой, то он предназначен только для периодических измерений. Оптимальное расстояние от пирометра до измеряемого объекта 0,7 ... 6 м. В литейных цехах его применяют для контроля температуры жидкого металла при разливке в литейные ковши и при заливке металла в формы. В термических цехах пирометр используют для периодического контроля температур в печах-ваннах и топливных термических печах.

Оптический пирометр с исчезающей нитью, в котором нуль-прибором служит глаз оператора, не может быть использован для автоматического регулирования температуры и для измерения температуры быстропротекающих процессов. В этих случаях применяют фотоэлектрический пирометр, в котором измерение температуры осуществляется объективным и безынерционным методами. В качестве приемников у них используются фотоэлементы, фотодиоды и фоторезисторы.

Фотоэлектрические пирометры делят на две группы. К первой относятся пирометры, у которых значение фотопотока приемника излучения пропорционально яркости излучения нагретого тела. У пирометров второй группы фотоприемник служит только индикатором равенства яркостей объекта измерения и стабилизированного источника излучения.

Фотоэлектрические пирометры первой группы имеют более простую конструкцию. Поток лучистой энергии у них с помощью линзы и диафрагмы фокусируется на приемной площадке германиевого или кремниевого фотодиода, работающего в генераторном режиме. В цепь фотодиода включен резистор нагрузки. С помощью быстродействующего потенциометра измеряется падение напряжения, пропорциональное фототоку, т. е. температуре объекта. Эти пирометры характеризуются малой инерционностью в работе, имеют пределы измерения 500 ... 2500 °С. Класс точности 1,5.