Средства измерения температуры

2. Пирометры

2.1 Общие сведенья

Пирометры (от греч. Руr - огонь и metreo – измеряю), оптические приборы для измерения температуры главным образом непрозрачных тел по их излучению в оптическом диапазоне спектра (длины волн в видимой части 0,4-0,76, в невидимой > 0,76 мкм). Совокупность методов определения с помощью пирометров высоких температур называют пирометрией.

При всем разнообразии существующих термометров и датчиков температуры  в производстве возникают задачи, которые не под силу современным  контактным цифровым термометрам. Оборудование и устройства многих технологических  циклов и процессов не позволяют  установку контактных датчиков или  показывающих приборов для контроля температуры по ряду технических  причин, либо установка и монтаж подобных датчиков и приборов затруднена. Ввиду актуальности такой проблемы были разработаны специальные инфракрасные термометры (пирометры), позволяющие  измерять температуру в труднодоступных, горячих, вращающихся или опасных  местах.

Пирометр (инфракрасный термометр) – прибор для бесконтактного измерения температуры. По области применения инфракрасные термометры классифицируют на 2 типа: стационарные и переносные (портативные). Инфракрасные термометры относятся к группе приборов неразрушающего контроля, что позволяет проводить измерение температур без непосредственного контакта с измеряемой поверхностью, как в случае контактными электронными термометрами. Их использование гарантирует безопасность при диагностике дефектов и мониторинге различных процессов, а также помехоустойчивость в процессе измерения для получения объективных и точных результатов.

Один из первых пирометров изобрёл Питер Ван Мушенбрук. Изначально термин использовался применительно к приборам, предназначенным для измерения температуры визуально, по яркости и цвету сильно нагретого (раскалённого) объекта. В настоящее время смысл несколько расширен, в частности, некоторые типы пирометров (такие приборы правильнее называть инфракрасные радиометры) измеряют достаточно низкие температуры (0 °C и даже ниже).

Развитие современной пирометрии и портативных пирометров началось с середины 60-х годов прошлого столетия и продолжается до сих пор. Именно в это время были сделаны  важнейшие физические открытия, позволившие  начать производство промышленных пирометров с высокими потребительскими характеристиками и малыми габаритными размерами. Новый принцип построения сравнительных параллелей, когда вывод о температуре тела производился на основе данных инфракрасного приемника, определяющего количество излучаемой телом тепловой энергии, позволил существенно расширить границы измерения температур твердых и жидких тел.

2.2 Основные параметры пирометров

1. выбор диапазона температур зависит непосредственно от объекта, контроль температуры которого осуществляется.
2. тип прицельного устройства определяется полностью размерами объектов, температуру которых необходимо определить, а также расстоянием до этих объектов. Контроль температуры малых и значительно удаленных объектов требует дорогих прицельных устройств.
3. тип индикатора определяется условиями эксплуатации, в основном значением температуры, при которой планируется использовать прибор.
4. показатель визирования, по аналогии с типом прицельного устройства выбирается в зависимости от размеров объектов и расстояния до них. Показатель визирования пирометра зависит прямопропорционально от удаленности объекта и обратно - пропорционально от его размеров. Важно также, чтобы при измерении температуры удаленного объекта в поле зрения инфракрасного термометра не попадали посторонние предметы.
5. расстояние до минимального поля зрения – согласно основным оптическим законам, поле зрения прибора будет увеличиваться пропорционально увеличению расстояния от прибора до объекта, при выборе прибора необходимо учесть расстояние, на котором наиболее часто будут проводиться измерения температуры.

2.3 Общий принцип работы пирометров. Типы пирометров

О температуре нагретого тела можно  судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего  собой электромагнитные волны различной  длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

Принцип действия пирометров основан  на измерении теплового излучения. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название –бесконтактных.

На основании  законов излучения разработаны  пирометры следующих типов:

1. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;
2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра;
3. пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

В свою очередь к пирометрам частичного излучения относятся монохроматические  оптические пирометры и фотоэлектрические  пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

В зависимости  от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

Радиационной  температурой реального тела Т_р называют температуру, при которой полная мощность абсолютно чёрного тела (АЧТ) равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Т_д.

Яркостной температурой реального тела Т_я называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Т_д.

Цветовой температурой реального  тела Т_ц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Т_д.

Инфракрасные  термометры применяют в различных  отраслях. Сфера их применения достаточно широка:

1. Измерения температур опасных для человеческого организма поверхностей и сред, в том числе, горячих.
2. Измерение температурных показателей недоступных и труднодоступных объектов.
3. Сканирование для поиска холодных или горячих точек.
4. Диагностические работы с электро и теплооборудованием.
5. Быстрое (мгновенное) определение температуры объектов, которые пребывают в движении.
6. Профилактика и диагностика ж/д и автотранспорта.
7. Поддержание противопожарной безопасности.
8. Контроль и проверка систем кондиционирования, вентиляции и отопления.
9. Электроаудит и электродиагностика.
10. Работы по профилактике оборудования в любой отрасли промышленности.

Очевидно, что измерение температуры современными приборами имеет ряд преимуществ перед обычными термометрами. Измерения возможно проводить без остановки производства или технического процесса. Все измерения температуры производятся с безопасного расстояния. При этом присутствует значительное увеличение производительности труда работников благодаря моментальности измерений.

2.4 Принцип работы квазимонохроматического (оптического) пирометра

Действие этих переносных приборов основано на сравнении яркости  монохроматического излучения двух тел: тела, температуру которого измеряют, и эталонного. В качестве последнего обычно используют нить лампы накаливания с регулируемой яркостью излучения. Наиболее распространенный прибор данной группы-пирометры с «исчезающей» нитью (рис.1). Внутри телескопической трубки в фокусе линзы объектива находится питаемая от аккумулятора через реостат пирометрическая лампа с подковообразной нитью. Для получения монохроматического света окуляр снабжен красным светофильтром, пропускающим лучи только определенной длины волны (65-66 мкм). В объектив помещен серый поглощающий светофильтр, служащий для расширения пределов измерений.

При подготовке оптической системы к измерению, трубку наводят на раскаленное тело и передвигают объектив до получения четкого изображения тела и нити лампы. Включив источник тока, реостатом регулируют яркость нити до тех пор, пока ее средняя часть не сольется с освещенным телом. В момент выравнивания яркостей тела и нити, когда последняя становится неразличимой, прибор показывает так называемую яркостную температуру тела (равна температуре абсолютно черного тела того же углового размера, что и излучающее тело, и дающего такой же поток излучения на данной длине волны). Эту температуру (Tя) отсчитывают по одной из шкал отградуированного в градусах милливольтметра: верхней–без серого светофильтра (для температур 800-14000^оC) и нижней со светофильтром (для температур свыше 13000^оC). Погрешность до 1% от диапазона измерений. По известной яркостной температуре, истинную температуру тела определяют на основе законов теплового излучения.

2.5 Поверка оптических пирометров

Пирометры поверяют по излучению  черного тела или температурных  ламп, излучение которых соответствует  фиксированным температурным точкам. Существуют следующие методы градуировки  и поверки пирометров: непосредственного  сличения, сличения при помощи компаратора  и прямых измерений.

Пирометры монохроматические с  исчезающей нитью накала образцовые 1 и 2-го разрядов и рабочие прецизионные поверяют по ГОСТ 8.212-77, пирометры визуальные с исчезающей нитью общепромышленные – по ГОСТ 8.130-74 и ГОСТ 8335-81.

При проведении поверки общепромышленных визуальных пирометров с исчезающей нитью выполняют следующие операции: внешний осмотр; проверку уравновешенной подвижной системы встроенного  измерительного прибора; правильности перемещения реохорда реостата; перемещения  объектива и окуляра вдоль  оптической оси пирометра; определение  основной погрешности и среднего квадратического значения случайной  составляющей основной погрешности.

Основную погрешность и среднее  квадратическое отклонение случайной  составляющей основной погрешности  определяют методом прямого измерения  температуры образцовой температурной  лампы на установке УПО-6М2 или  подобной ей.

Установка УПО-6М2 смонтирована в виде стола, в средней части которого находится оптическая скамья с температурной  лампой. Лампа укреплена в коретке, имеющей регулировочные винты поворота, наклона и поперечного перемещения.

Объектив и держатель поверяемого  пирометра крепится на общей стойке, на которой их можно наклонять, перемещать в продольном и поперечном направлениях и поворачивать. На столе размещены  потенциометр Р363-3, нормальный элемент и измерительная катущка сопротивления.

Полупроводниковый стабилизатор напряжения СНП-40, расположенный на специальной  тележке, служит для питания образцовой температурной лампы и регулировки  ее тока. Пределы непосредственной поверки пирометров по образцовому  излучателю 1100-2300 К. Ток температурной  лампы изменяется в пределах 6-35 А. Измерительный прибор, температурная  лампа, катушка, источник  питания  и реостат  включены последовательно. Падение напряжения f на катушке  сопротивления измеряется образцовым потенциометром. Образцовая температурная лампа, включается последовательно с измерительной катушкой. Электрическая схема сопротивления R= 0,001 Ом. Образцовая установка для поверки, монопотенциометр, измеряет падение хроматических пирометров напряжения на катушке с R = 0,001 Ом, благодаря чему его показания соответствуют току температурной лампы. Основную погрешность и случайную составляющую основной погрешности пирометров для шкал в диапазоне температур от 1100 до 2300 К определяют по образцовой температурной лампе; основную погрешность пирометров в интервале температур от 2300 до 6000 К определяют расчетным методом на основании экспериментально найденного значения пирометрического ослабления соответствующего светофильтра.

При определении основной погрешности  в цепи образцовой температурной  лампы медленно увеличивают силу тока до значения, соответствующего первой температуре, при которой проводится поверка. Корректируют значение силы тока после 30 мин выдержки и вносят в  протокол. Реостатом пирометра пять раз уравнивают яркость нити пирометрической  лампы с яркостью ленты температурной  лампы, и при этом каждый раз отсчитывают  показания по шкале измерительного прибора пирометра. В пирометрах, у которых нет встроенного  измерительного прибора (ЭОП ЛОГ1-72 и других), отсчет ведется по прибору, включенному в цепь пирометрической лампы. Нить пирометрической лампы между отсчетами обязательно попеременно делают ярче и темнее ленты температурной лампы. Поверку шкалы пирометра производят по всем числовым отметкам шкалы. Для каждой поверяемой температуры вычисляют среднее арифметическое отсчетов.