Что такое пирометр каков принцип работы пирометра с исчезающей нитью

Измерение температуры с помощью пирометров излучения

При высокой температуре любое нагретое тело значительную долю тепловой энергии излучает в виде потока световых и тепловых лучей.

Чем выше температура нагретого тела, тем больше интенсивность излучения. Тело, нагретое приблизительно до 600°С, излучает невидимые инфракрасные тепловые лучи.

Дальнейшее увеличение температуры приводит к появлению в спектре излучения видимых световых лучей.

По мере повышения температуры цвет меняется: красный цвет переходит в желтый и белый, представляющий собой смесь излучений разной длины волны.

Чем выше температура, тем большая доля энергии приходится на излучение с меньшей длиной волны.

Например, в солнечном свете значительную долю составляет ультрафиолетовое излучение с малой длиной волны.

Яркость излучения однозначно зависит от температуры, следовательно, измеряя яркость, можно определить температуру.

Особенностью пирометров излучения является то, что измерение температуры производится без непосредственного контакта прибора с объектом измерения, что позволяет контролировать температуру сильно нагретых тел, а также движущихся объектов.

По принципу действия пирометры излучения разделяют на оптические и радиационные.

Оптический пирометр с исчезающей нитью

Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания.

Рис. 9. Схема оптического пирометра

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 .

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.

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.

Переход с одного диапазона на другой осуществляется введением или выведением поглощающего светофильтра.

Существуют также оптические пирометры, в которых сличение яркостей нити и объекта производится не визуально, а фотоэлектрическим устройством, что позволяет автоматизировать измерение и повысить точность определения яркостной температуры. Однако схема и конструкция прибора при этом существенно усложняются.

echome.ru

Пирометр, или его равнозначные названия – инфракрасный термометр (термодетектор, даталоггер температуры), — это точный инженерный прибор нового поколения для бесконтактного и быстрого измерения температурных показателей на расстоянии до трех метров от исследуемого объекта.

В основе его работы лежит принцип определения по тепловому электромагнитному излучению практически любого объекта температурного значения его поверхности. Это позволяет контролировать и своевременно регулировать температуру и ее перепады в промышленных и бытовых объектах, их деталях и элементах.

Относительно недорогой прибор идеален для использования как в бытовых рабочих процессах, так и в различных промышленных отраслях (если речь идет о мощном электронном пирометре) и высокотехнологичных производствах:

• тепло- и электроэнергетика;
• металлургия и металлообработка;
• гражданское, военное и промышленное строительство;
• проверка электрического оборудования;
• в пищевой промышленности;
• в лабораторных исследованиях;
• обследование двигателей внутреннего сгорания и подшипниковых элементов, компьютерных составляющих.

Как стационарные, так и мобильные модели термодетекторов особенно рациональны для обследования объектов инфраструктуры, рефрижераторной техники, оснащения мобильных охраннопожарных бригад, контроля условий хранения и транспортировки пищевых и медикаментозных продуктов.

Виды пирометров

Существует несколько классифицирующих подразделений пирометров:

1. По основной используемой методике работы:

• инфракрасные (радиометры), использующие радиационный метод для ограниченного инфракрасного волнового диапазона; для точного наведения на цель снабжены лазерным указателем;
• оптические пирометры, работающие в не менее, чем в двух диапазонах: инфракрасного излучения и спектра видимого света.

1. Оптические инструменты в свою очередь делятся на:

• яркостные (пирометры с пропадающей нитью), основанные на эталонном сравнении излучения предмета с величиной излучения нити, сквозь которую пропускается электроток. Значение силы тока и служит показателем измеряемой температуры поверхности объекта.
• цветовой (или мультиспектральный), работающий по принципу сравнения энергетических яркостей тела в различных областях спектра, — используются как минимум два детектирующих участка.

1. По способу прицеливания: инструменты с оптическим или лазерным прицелом.
2. По используемому коэффициенту излучения: переменный коэффициент или фиксированный.
3. По способу транспортировки:

• стационарные, используемые в тяжелой промышленности;
• переносные, используемые на участках производимых работ, для которых важна мобильность.

1. Исходя из температурного диапазона измерений:

• низкотемпературные (от -35…-30°С);
• высокотемпературные (от + 400°С и выше).

Строение пирометра

Базисом конструкции прибора является детектор инфракрасного (теплового) излучения, интенсивность и спектр которого напрямую зависит от температуры поверхности объекта. Встроенная электронная система измерения фиксирует данные и отображает их на дисплее в удобном формате для дальнейшего анализа пользователем.

Стандартный пирометр представляет собой пистолет, который выглядит как лазерный бластер из фантастических фильмов, с небольшим жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображаются замерянные показатели температурных режимов. Небольшая и удобная панель управления, лазерная наводка и высокая точность при близком контакте с объектом делают инструмент весьма востребованным среди технического и инженерного персонала.

Устройство пирометра формирует следующие технические характеристики приборов:

• оптическое разрешение (кратность варьируется в пределах 2…600);
• рабочий диапазон температур (-50…+4000°С);
• измеряемое разрешение;
• быстродействие (в современных моделях менее секунды, что особенно актуально при измерении быстро меняющихся показаний).

Обычно пирометры обладают небольшими, компактными габаритными размерами; устройство отображение информации может быть как аналоговым, так и цифровым. Диаметр объекта излучения должен составлять не менее 13-15 мм.

Современные модели могут обладать расширенным функционалом:

• функцией внутренней памяти для хранения данных замеров;
• определением минимального и максимального показателей серии измерений;
• подача звукового или визуального сигнала при достижении заданного порогового значения.

Для переноса информационных данных на персональный компьютер или внешний носитель усовершенствованные пирометрические устройства оборудуются USB-интерфейсом.

Принцип действия

Работа приборов этого типа основана на возникновении инфракрасного излучения и определении показателя абсолютного значения излучаемой в инфракрасном спектре энергии длины волны.

Инструмент направляется на удалённый объект, расстояние до которого лимитируется только диаметром замеряемого пятна и составом («чистотой») окружающей объект воздушной среды. Измерение характеристик излучения объекта (его интенсивность и спектральный состав) пирометрическим прибором косвенным образом определяет и температуру его поверхности.

Принцип работы пирометра определяет основной функционал инструмента:

• измерение температуры удалённых (недоступных или труднодоступных) объектов, а также температуры их движущихся элементов;
• анализ температурного режима находящихся под напряжением объектов при невозможности контактных способов измерения;
• экспресс-фиксация быстрых температурных изменений поверхности объектного тела;
• исследование объектов, обладающих низкой теплоёмкостью или теплопроводностью.

Использование пирометра на промышленных объектах и в быту не представляет никаких сложностей: инструмент наводится на обследуемый объект, измерение и фиксация на дисплее температурных данных выполняется в считанные секунды при нажатии и удержании «курка».

Стоимость прибора зависит от его технических характеристик, «брендовости» производителя, используемых методов работы и варьируется в диапазоне 1500-15000 рублей.

Оптический пирометр с исчезающей нитью

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 чувствительностиглаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около 0,65 мкм.

В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрическойлампочки (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 этомфоне – нить лампочки.

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.

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.

Переход с одного диапазона на другой осуществляется введением или выведением поглощающего светофильтра.

Существуют также оптические пирометры, в которых сличение яркостей нити и объекта производится не визуально, а фотоэлектрическим устройством, что позволяет автоматизировать измерение и повысить точность определения яркостной температуры. Однако схема и конструкция прибора при этом существенно усложняются.

Радиационные пирометры

В отличие от оптических пирометров с исчезающей нитью 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.

Положительной особенностью радиационных пирометров является то, что их можно применять также и для измерения невысоких температур, при которых объект измерения не дает видимого излучения. Возможно также измерение температуры тел, более холодных, чем окружающая среда.

В настоящее время радиационные пирометры применяются для измерения температур в диапазоне от -40 до 2500°С. Особенно удобно применение радиационных пирометров для бесконтактного измерения невысоких температур, при которых методы оптической пирометрии неприемлемы, например, для измеренияневысоких температур движущихся предметов.

Например, температуру нагрева заготовок определяют визуально или с по­мощью пирометров различных конструкций.

Визуально температуру можно определить по цвету каления.

При 600— 1300° С цвет и яркость нагретых предметов изменяются через каж­дые 50° С: цвет поверхности при нагреве от 850 до 1000° С изменяется от красного до светло-красного, затем стано­вится оранжевым, а далее желтым. Температуру по цвету, каления определяют с точностью ±50—60° С.

При слабом дневном освещении черные металлы, нагретые до различных температур, °С, имеют следующие цвета каления:

Темно-красный. 650	Оранжево-желтый. …1000
Вишнево-красный.. 700	Светло-желтый. 1100
Светло-красный. 800	Соломенно-желтый.. ….1150
Густо- оранжевый.. 900	Белый разной яркости …1200 – 1400

Однако способ определения температуры нагретого металла по цвету каления не является достаточно точным и надежным. Поэтому для определения температуры ­нагрева пользуются пирометрами. Радиационный пирометр (ардометр) работает по принципу по­глощения лучистой энергии нагретого тела. Чем выше нагрев, тем

Рис. 32. Схема радиационного пирометра

больше излучается лучистой энергии. Тепловые лу­чи нагретой заготовки при помощи линзы 1 собираются в пучок и через диафрагму 2 попадают на батарею 3, состоящую из нескольких последовательно соединенных термопар, горячие спаи которых расположены на зачерненной пластинке из платиновой фольги, поглощающей тепловые лучи. В термопаре возникает элек­трический ток, который поступает на гальванометр 6, по шкале ко­торого считывают температуру тела. При замере температуры настрой­ку пирометра выполняют с помощью окуляра 5 и фильтра 4 так, чтобы тепловые лучи от нагретой заготовки собирались в фокусе объектива.

Пирометры с исчезающей нитью

Оптический пирометр с исчезающей нитью измеряет энергию моно­хроматического излучения тела, т. е. яркостную температуру при оп­ределенной фиксированной длине волны 65 мкм, которая выделяется из спектра излучения с помощью красного фильтра.

Измерение температуры пирометрами с исчезающей нитью про­изводится путем сравнения яркости исследуемого тела и нити фотометрической лампы, проградуированной но АЧТ при длине волны 65 мкм. С помощью оптической системы изображение нагретого тела проектируется ни плоскость нити лампы накаливания. Реостатом сила тока накаланити регулируется таким образом, чтобы яркость лампы сравнялась с яркостью измеряемого тела. Температура оп­ределяется по силе тока накала нити в момент ее «исчезновения» на фоне раскаленного тела. Принципиальная схема пирометра показана на рис. 3.7.

Нить накала лампы питается от аккумулятора. Сила тока нака­ла отмечается на шкале стрелочного прибора. Для визирования и фокусирования нити лампы и объекта служит оптическая система. Имеются устройства для введения красного и ослабляющего фильт­ров. Кажущаяся температура на шкале прибора с помощью градуировочной кривой переводится в истинную температуру.

Для лабораторных измерений температуры применяют стационарные оптические пирометры типа ЭОП и ОП, в которых цилиндрическая нить лампы со стороны наблюдателя шлифованием утон­чена до половины своего диаметра, что способствует улучшению ее «исчезновения».

Образцовые пирометры позволяют измерять температуру с точностью 0,2 – 0,5% в пределах от 800 до 3000, эталонные пирометры имеют точность измерения 0,05% при 1000.

Приближенная калибровка оптических пирометров осуществля­ется по точкам плавления чистых металлов; фиксируют силу тока лампы в момент начала затвердевания. Используя закон Вина, мож­но обойтись одной реперной точкой, но для более точной градуиров­ки рекомендуется использовать несколько точек.

При градуировке пирометров экстраполяцией температуры от температур реперных точек возникают в среднем следующие ошиб­ки, °С: 1500±3; 1700±3,5; 2000+4,6. Однако ошибки измерений значительно выше. Так, для пирометров типа ОП при работе в пределах 1200 – 2000 °С основная ошибка составляет ± 13 °С и до

Рисунок 3.7 – Схема оптического пирометра с исчезающей нитью:

1 – линза объектива; 2 – тубус объектива; 3 – поглощающие стекла; 4,5 – сопротивления; 6 – движок реостата; 7 – части показывающего прибора; 8 – тубус окуляра; 9 – красный светофильтр; 10 – постоянный магнит показывающего прибора; 11 – кольцевой реостат; 12 – батарея аккумуляторов; 13 – шунтирующее сопротивление; 14 – зажимы для измерения силы тока пирометрической лампы; 15 – пирометрическая лампа; 16 – накаленное тело

Рисунок 3.8 – Схема хода лучей в фотоэлектрическом пирометре

±40°С при измерениях температур в пределах 1800—3200°С. В тех­нических пирометрах основная погрешность определений для при­веденных интервалов температур соответственно составляет ±20 и ±50°С.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: