05.07.2022

Принцип действия пирометра: Принцип работы пирометра, его устройство и основные виды. – как работает, измерение температуры бесконтактным методом

Пирометры излучения

Пирометры излучения.

Действие пирометров излучения основано на измерении излучаемой телом энергии, зависящей от его температуры и физико-химических свойств. Чем выше температура нагретого тела, тем больше интенсивность излучения. При нагреве до 500 °С тело излучает невидимые инфракрасные (тепловые) лучи с большой длиной волны. Дальнейшее повышение температуры вызывает появление излучения видимых световых лучей- Вначале раскаленное тело имеет темно-красный цвет, который по мере увеличения температуры переходит в красный, оранжевый, желтый и, наконец, в белый. Наряду с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает интенсивность (яркость) монохроматического (одноцветного) излучения, а также заметно увеличивается суммарное излучение (радиация). Такие свойства нагретых тел, как яркость и радиация, используются для измерения температуры пирометрами излучения, которые по принципу действия подразделяются на яркостные (оптические), фотоэлектрические и радиационные.

Яркостные пирометры действуют по методу сравнения яркости двух тел: тела, температура которого измеряется, и эталонного тела (нити лампы накаливания с регулируемой яркостью). Принципиальная схема яркостного пирометра с исчезающей нитью приведена на рис. Объектив  служит для фокусирования изображения раскаленного тела с плоскостью нити лампы. Перед лампой включен фильтр 2, уменьшающий видимую интенсивность излучения раскаленного тела. Внутри телескопической трубы в фокусе объективной линзы находится пирометрическая лампа 3, питающаяся током от батареи Б.

Схема яркостного пирометра с исчезающей нитью

Рис. Схема яркостного пирометра с исчезающей нитью.

Нить пирометрической лампы на фоне раскаленного тела

Рис. Нить пирометрической лампы на фоне раскаленного тела.

Для определения силы питающего тока в цепь включен миллиамперметр мА, шкала которого градуируется в градусах МПТШ-68. Через окуляр 4 корректируется изображение нити по глазу наблюдателя. В момент отсчета включается красный светофильтр

5 и реостатом R с помощью поворотного кольца 6 регулируется сила тока до тех пор, пока средняя часть нити не исчезнет на фоне раскаленного тела (рис.), т. е. не наступит равенство яркостных температур нити и тела. Промышленностью выпускаются яркостные пирометры с исчезающей нитью для измерения температур от 880 до нескольких тысяч градусов. Фотоэлектрические пирометры отличаются от оптических тем, что оценка яркости производится не глазом наблюдателя, а с помощью фотоприемников — фотоэлементов и фотоумножителей. Действие фотоэлектрического пирометра основано на свойствах фотоэлемента изменять возникающий в нем фототок пропорционально световому потоку. На рис. показана схема фотоэлектрического яркостного пирометра. Тело 1 (лампа накаливания 1′) излучает световой поток, который концентрируется линзой 2 (2′), а затем через светофильтр 3, служащий для изменения пределов измерения, и красный светофильтр попадает на фотоприемник 6. Очередность освещения создается модулятором 5, вибрирующим с частотой 50 Гц. При разных яркостных температурах излучающего тела и лампы накаливания в цепи фотоэлемента возникает переменная составляющая фототека, совпадающая по фазе с фототоком от тела либо от лампы. Переменная составляющая усиливается электронным усилителем, выходной сигнал которого управляет цепью питания лампы до тех пор, пока освещенности измеряемого тела и лампы не уравняются. Сила тока, питающего лампу, измеряется автоматическим электронным потенциометром П, имеющим самопишущее устройство. Предел измерения температуры 800-4000 °С.

Радиационные пирометры действуют по принципу измерения мощности излучения нагретого тела. Испускаемые нагретым телом лучи воспринимаются теплоприемником, состоящим из нескольких последовательно соединенных термопреобразователей (термобатарея), термометра сопротивления и измерительных приборов (милливольтметров, автоматических потенциометров и уравновешенных мостов). Корпус с оптической системой, теплоприемником и другими устройствами называют телескопом радиационного пирометра.

Оптические системы бывают двух разновидностей: рефракторная — преломляющая (с линзой) и рефлекторная — отражающая (с собирательным зеркалом).

Схема фотоэлектрического яркостного пирометра

Рис. Схема фотоэлектрического яркостного пирометра.

Схема радиационного пирометра с термобатареей

Рис. Схема радиационного пирометра с термобатареей.

Пирометр с рефлекторной оптической системой (рис.) состоит из объективной линзы 1, собирающей лучи, окуляра 2 для наводки телескопа на нагретое тело, ограничивающей диафрагмы 3, установленной на пути лучей от источника излучения, термоэлектрической батареи 4, расположенной в фокусе объективной линзы, цветного стекла 5 для защиты глаза при установке прибора. Улавливаемые пирометром тепловые лучи концентрируются при помощи линзы 1 на термобатарее 4, состоящей из ряда термопреобразователей. По термо-ЭДС, развиваемой этими термопреобразователями, определяется величина измеряемой температуры. Расстояние между излучающим телом и телескопом принимают 0,8-1,3 м. Предел измерения температуры 20-3000 «С.

Радиационные пирометры могут быть установлены стационарно с применением дистанционной передачи, автоматической записи и регулирования температуры.

Вопрос 2. Типы пирометров, область их применения. Устройство и принцип действия оптического пирометра.

Ответ. Пирометр

1 2 3

1 Переносной пирометр инфракрасного излучения

2 Стационарный пирометр инфракрасного излучения

3 Оптический пирометр

Пироме́тр (от др.-греч. πῦρ «огонь, жар» + μετρέω «измеряю») — прибор для бесконтактного измерения температуры тел. Принцип действия основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения преимущественно в диапазонах инфракрасного излучения и видимого света.

Назначение

Пирометры применяют для дистанционного определения температуры объектов в промышленности, быту, сфере ЖКХ, на предприятиях, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства (сталелитейная промышленность, нефтеперерабатывающая отрасль). Пирометры могут выступать в роли средства безопасного дистанционного измерения температур раскаленных объектов, что делает их незаменимыми для обеспечения должного контроля в случаях, когда физическое взаимодействие с контролируемым объектом невозможно из-за высоких температур. Их можно применять в качестве теплолокаторов (усовершенствованные модели), для определения областей критических температур в различных производственных сферах.

История

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. Первый портативный пирометр был разработан и произведен американской компанией Wahl в 1967 году. 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.

 

Классификация пирометров

Пирометры можно разделить по нескольким основным признакам:



· Оптические. Позволяют визуально определять, как правило, без использования специальных устройств, температуру нагретого тела, путём сравнения его цвета с цветом эталонной нити.

· Радиационные. Оценивают температуру посредством пересчитанного показателя мощности теплового излучения. Если пирометр измеряет в широкой полосе спектрального излучения, то такой пирометр называют пирометром полного излучения.

· Цветовые (другие названия: мультиспектральные, спектрального отношения) — позволяют делать вывод о температуре объекта, основываясь на результатах сравнения его теплового излучения в различных спектрах.

Температурный диапазон

· Низкотемпературные

. Обладают способностью показывать температуры объектов, обладающих даже отрицательными значениями этого параметра.

· Высокотемпературные. Оценивают лишь температуру сильно нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным. Обычно имеют сильное смещение в пользу «верхнего» предела измерения.

Исполнение

· Переносные. Удобны в эксплуатации в условиях, когда необходима высокая точность измерений, в совокупности с хорошими подвижными свойствами, например для оценки температуры труднодоступных участков трубопроводов. Обычно снабжены небольшим дисплеем, отображающим графическую или текстово-цифровую информацию.

· Стационарные. Предназначены для более точной оценки температуры объектов. Используются в основном в крупной промышленности, для непрерывного контроля технологического процесса производства расплавов металлов и пластиков.

Визуализация величин

· Текстово-цифровой метод. Измеряемая температура выражается в градусах на цифровом дисплее. Попутно можно видеть дополнительную информацию.

· Графический метод. Позволяет видеть наблюдаемый объект в спектральном разложении областей низких, средних и высоких температур, выделенных различными цветами.



Вне зависимости от классификации, пирометры могут снабжаться дополнительными источниками питания, а также средствами передачи информации и связи с компьютером или специализированными устройствами (обычно через шину RS-232).

Пирометры излучения.

Принцип действия основан на измерении лучистой энергии, испускаемой нагретым телом. Это бесконтактные преобразователи.

Пирометры подразделяются на:

  1. Пирометры полного излучения (радиационные).

  2. Пирометры частичного излучения (оптические).

  3. Цветовые пирометры.

Важнейшей характеристикой излучения является спектральная (распределение энергии по различным участкам спектра).

. – спектральная плотность яркости. Вся энергия излучения – плошадь под кривой.

Согласно закону Кирхгофа отношение спектральной плотности яркости, температуры излучателя к его коэффициенту поглощения не зависит от рода излучателя.

— плотность поглощения

— спектральная плотность яркости такого излучателя, у которого коэффициент поглощения во всем спектре и при всех температурах = 1. Такое тело называется абсолютно черным (самое близкое к нему – Солнце).

Выражение для функции было установлено Планком в 1900 г.

Но за 4 года до Планка было уравнение Вина:

Уравнениями Планка можно пользоваться до 4000 К.

Но на измеренном интервале можно пользоваться уравнениями Вина.

Положение максимума кривой спектральной плотности яркости определим взяв первую производную и приравняв ее к нулю.

Полная энергия яркости определяется площадью под кривой спектральной плотности яркости.

Стефан и Больцман доказали, что

— постоянный коэффициент.

В инженерных расчетах:

Псевдотемпературы.

Все уравнения (Вина, Планка, Стефана-Больцмана) справедливы для абсолютно черного тела. На практике имеют дело с реальными серыми телами, у которых .

Различают:

1. Радиационной температурой не черного излучателя, имеющего температуру Т, называют такую температуру ТР абсолютно черного тела, при которой энергии яркости обоих тел равны.

— интегральный коэффициент поглощения.

2. Яркостной (черной) температурой нечерного излучателя, имеющего температуру Т, называют такую температуру Те абсолютно черного тела, при которой спектральные плотности яркостей обоих тел при одной и той же длине волны равны.

т.к. , то

3. Цветовой температурой нечерного излучателя, имеющего температуру Т, называют такую температуру ТЦ абсолютно черного тела, при которой отношение спектральных плотностей яркостей обоих тел при длинах волн иравны.

Принципиальные схемы пирометров.

Пирометры полного излучения (радиационные).

Принцип действия основан на законе Стефана-Больцмана.

Пирометр состоит из датчика (приемника) и вторичного прибора. В зависимости от типа оптической системы датчики подразделяются на рефлекторные и рефракторные.

Рефлекторные используются для измерения низких температур (используется зеркало). В рефракторных используется линза.

Пирометры частотного излучения (оптические).

Основаны на уравнениях Вина и Планка.

Измеряют спектральную плотность яркости. Т.о. обязательный элемент – светофильтр (обычно красный).

Пирометр с исчезающей нитью (переносной).

ПС – серое поглощающее стекло.

СФ – светофильтр.

Человек смотрит в окуляр и увеличивает силу тока до тех пор, пока нить накаливания лампы не сольется (исчезнет) на фоне объекта. Эта сила тока измеряется в мА, но шкала проградуирована в градусах. Прибор показывает кажущуюся температуру. ПС используется для расширения диапазона измерений.

Диапазон измерений без ПС 800 — 1400С

Диапазон измерений с ПС 1400 – 2000С

Недостаток – субъективность оценки.

Для исключения этого недостатка используются фотоэлектрические пирометры.

М – модулятор

СФ – светофильтр

ФП – фотоприемник

ЛН – лампа накаливания

Цветовые пирометры.

Используют 2 светофильтра (синий и красный). Одним выделяют, а другим.

ЗУ – запоминающее устройство

БД – блок деления

С – синий светофильтр

К – красный светофильтр

Класс точности 1 – 1,5.

Измерение отношения спектральных плотностей при и.

Болометр — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Паутинный болометр для регистрации фонового космического излучения

Боло́метр (др.-греч. βολή — луч и μέτρον — мера) — тепловой приёмник излучения, чаще всего оптического (а именно — ИК-диапазона). Был изобретён Самуэлем Пирпонтом Лэнгли в 1878 году[1].

Принцип действия болометра основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие нагревания под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии[2].

Основной компонент болометра — очень тонкая пластинка (например, из платины или другого проводящего материала), зачернённая для лучшего поглощения излучения. Из-за своей малой толщины пластинка под действием излучения быстро нагревается и её сопротивление повышается. Для измерения малых отклонений сопротивления пластинки её включают в мостовую схему, которую балансируют при отсутствии засветки. Металлические болометры часто подсоединяют через трансформаторный вход, так как у них очень малое собственное сопротивление.

Первый полупроводниковый болометр был создан компанией Bell в годы Второй мировой войны. Отличался простотой, надёжностью и высокой чувствительностью. Был использован в ИК-спектроскопии и теплопеленгации.

Первые терморезистивные болометры успешно работали на искусственных спутниках Земли, но позже были вытеснены пироэлектрическими приёмниками.

В качестве материалов для металлических болометров используют платину, никель, золото, для полупроводниковых — сплавы окислов никеля, кобальта, марганца.

Полупроводниковый болометр состоит из двух плёночных (толщиной до 10 мкм) термисторов. Один из термисторов, непосредственно подвергающийся облучению, является активным. Второй — компенсационный. Он экранирован от внешнего излучения и предназначен для компенсации изменений температуры окружающей среды. Оба термистора помещаются в общий герметичный корпус.

Чувствительность болометра улучшается с понижением температуры чувствительного элемента. В астрономии обычно используются болометры, охлаждаемые до температуры жидкого гелия.

Основные параметры болометров:

  • сопротивление активного термистора при номинальной температуре;
  • рабочее напряжение;
  • чувствительность при определённой частоте модуляции светового потока;
  • порог чувствительности;
  • постоянная времени;
  • уровень собственных шумов — у металлических преобладает тепловой шум, у полупроводниковых — токовый.

Болометр чувствителен ко всему спектру излучения. Но применяют его в основном в астрономии для регистрации излучения с субмиллиметровой длиной волны: для этого диапазона болометр — самый чувствительный датчик. Источником теплового излучения может быть свет звёзд или Солнца, прошедший через спектрометр и разложенный на тысячи спектральных линий, энергия в каждой из которых очень мала.

Полупроводниковые болометры применяются, например, в системах ориентации, для дистанционного измерения температуры объектов, в датчиках обнаружения облучения военных машин (напр., лазерным лучом головок самонаведения).

  • Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 4-е перераб. и доп. изд. — М.: Высшая школа, 1987. — С. 407—408. — 479 с.
  • Краткий словарь физических терминов / Сост. А. И. Болсун, рец. М. А. Ельяшевич. — Мн.: Вышэйшая школа, 1979. — С. 43. — 416 с. — 30 000 экз.
  • Петрушевский Ф. Ф. Болометр // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.