 |
Бесконтактное измерение температуры
|
|
|
|
Дистанционное измерение температуры. Пирометры
Методическое указание к лабораторной работе
Пенза-2016
БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
1. ХАРАКТЕРИСТИКА БЕСКОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Температура — важнейший параметр всех технологических процессов. В металлургической и химической промышленности весьма широк диапазон контролируемых температур и разнообразны условия их измерения, поэтому применяют разнообразные методы измерения и измерительные приборы.
Различают две группы методов измерения: контактные (собственно термометрия) и бесконтактные (пирометрия или термометрия излучения), применяемые в основном дня измерения очень высоких температур. В некоторых случаях бесконтактные методы измерения предпочтительнее контактных, особенно когда измеряется температура движущихся или высоконагретых объектов (температура заготовки в процессе прокатки, температура расплавов и др.).
Принцип действия пирометров излучения основан на использовании теплового излучения нагретых тел. По сравнению с приборами, основанными на других методах измерения температуры, пирометры излучения имеют следующие преимущества:
• измерение основано на бесконтактном способе, следовательно, отсутствует искажение температурного поля, вызванное введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду;
• верхний предел измерения температуры теоретически не ограничен;
• имеется возможность измерения температур пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях, когда трудно использовать другие методы.
Существенным недостатком пирометров является зависимость их показаний от различных свойств измеряемого тела. Как известно из курса теплофизики, лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 °С) нагретое тело испускает инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. По мере повышения температуры цвет тела меняется от темно-красного до белого, содержащего волны всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает спектральная энергетическая яркость (СЭЯ), т. е. излучение определенной длины волны, а также заметно увеличивается суммарное (интегральное) излучение.
|
|
|
Указанные свойства нагретых тел используют для измерения их температуры и в соответствии с этими свойствами пирометры излучения делятся на квазимонохроматические, спектрального отношения, полного и частичного излучения. Основные методы пирометрии для тел со сплошным спектром излучения и наименования средств измерения приведены в табл.1.
Таблица 1
Основные методы пирометрии и типы пирометров
| Свойство спектра излучения объекта | Наименование средств измерений |
| Интегральная плотность излучения, описываемая для абсолютно черного тела законом Стефана- Больцмана | Пирометр полного излучения (радиационный пирометр) |
| Спектральная плотность излучения в ограниченном интервале длин волн | Пирометр частичного излучения |
| Спектральная плотность излучения в узком интервале, позволяющем применить закон Планка | Квазимонохроматический (яркостный) пирометр |
| Отношение плотности спектрального излучения в двух спектральных интервалах | Пирометр спектрального отношения (цветовой пирометр) |
| Отношение плотности спектрального излучения в трех и более спектральных интервалах | Пирометр спектрального отношения |
Теоретически можно обосновать лишь явление лучеиспускания абсолютно черного тела (степень черноты этого тела принимают равным единице). Для реальных тел этот показатель меньше единицы, причем он зависит как от природы данного тела, так и от состояния его поверхности и температуры. Данные по степени черноты различных материалов в зависимости от эффективной длины волны излучения приведены в табл. 2.
|
|
|
Таблица 2
Степень черноты различных материалов в зависимости от эффективной длины волны
| Материалы | Степень черноты (доли единицы) | |||
| при эффективной длине волны, мкм | ||||
| 2,2 | 5,1 | 8-14 | ||
| Алюминий Оксид алюминия | 0,1-0,2 0,40 | 0,02-0,2 0,2-0,4 | 0,02-0,2 0,2-0,4 | 0,02-0,1 0,2-0,4 |
| Хром Оксид хрома | 0,4 0,75 | 0,05-0,3 0,75 | 0,03-0,3 | 0,02-0,2 0,70 |
| Золото | 0,3 | 0,01-0,1 | 0,01-0,1 | 0,01-0,1 |
| Молибден Оксид молибдена | 0,25-0,35 0,5-0,9 | 0,1-0,3 0,4-0,9 | 0,1-0,15 0,3-0,7 | 0,10 0,2-0,6 |
| Никель Оксид никеля | 0,35 0,8-0,9 | 0,25 0,4-0,7 | 0,3-0,6 | 0,04 0,2-0,5 |
| Титан Оксид титана | 0,5-0,75 0,80 | 0,2-0,5 0,6-0,8 | 0,1-0,3 0,5-0,7 | 0,05-0,2 0,5-0,6 |
| Оксид железа Железо Железо грубой обработки Литое железо | 0,7-0,9 0,35 0,35 | 0,7-0,9 0,1-0,3 0,6-0,9 0,4-0,6 | 0,6-0,9 0,05-0,25 0,5-0,8 | 0,5-0,9 0,05-0,2 0,5-0,7 |
| Цинк Оксид цинка | 0,50 0,60 | 0,05 0,15 | 0,03 0,1 | 0,02 0,1 |
| Вольфрам | 0,39 | 0,1-0,3 | 0,05-0,25 | 0,03-0,1 |
| Олово Оксид олова | 0,25 0,60 | 0,1-0,3 0,60 | 0,05 | 0,05 0,60 |
| Серебро Оксид серебра | 0,04 0,10 | 0,02 0,10 | 0,02 | 0,02 0,10 |
| Сталь холоднокатаная Листовая сталь Отполированная сталь Литая сталь Окисленная сталь Нержавеющая сталь | 0,8-0,9 0,35 0,35 0,8-0,9 0,35 | 0,8-0,9 0,6-0,7 0,2 0,25-0,4 0,8-0,9 0,2-0,9 | 0,7-0,9 0,5-0,7 0,1 0,1-0,2 0,7-0,9 0,15-0,8 | 0,4-0,6 0,1 0,7-0,9 0,1-0,8 |
| Латунь полированная Латунь отшлифованная Латунь окисленная | 0,35 0,65 | 0,01-0,05 0,4 0,6 | 0,01-0,05 0,3 0,5 | 0,01-0,05 0,3 0,02-0,2 |
| Медь полированная Медь грубой обработки Медь окисленная | 0,05 0,05-0,2 0,2-0,8 | 0,03 0,05-0,2 0,7-0,9 | 0,03 0,05-0,15 0,5-0,8 | 0,03 0,05-0,1 0,4-0,8 |
Так как степень черноты реального тела переменна, все пирометры градуируют по излучению абсолютно черного тела. Поэтому в процессе измерения температуры реальных тел пирометры фиксируют некую условную температуру, которая может значительно отличаться от истинной. Поправка в показания либо вводится вручную, либо пересчет осуществляется автоматически.
Работа пирометра полного излучения ( радиационного пирометра) основана на анализе интегрального (полного) излучения от объекта (закон Стефана-Больцмана). Поэтому соотношение измеряемой этим прибором условной температуры Tр (обычно ее называют радиационной) и истинной T вычисляется из соотношения
|
|
|
где ε – интегральная степень черноты.
Работа пирометров частичного излучения построена на анализе теплового излучения от объекта измерения в ограниченной части спектра. Теоретического закона, связывающего энергию частичного излучения с температурой, не существует, и поэтому эти приборы градуируются индивидуально. Как правило, конструктивно для пирометров частичного излучения должен быть заложен блок введения поправки на степень черноты измеряемого объекта.
Квазимонохроматические пирометры оценивают излучение в достаточно узком диапазоне длин волн (обычно выбирают длину волны λ=0,65 мкм), что осуществляется за счет специального фильтра. Измеряемая этим прибором температура также условна и называется яркостной Tя. Связь между действительной и яркостной температурой можно проследить, используя закон Планка или закон Вина (для ограниченного интервала температур и малых длин волн):
где λ – используемая длина волны излучения, мкм; С 2 =1,4388·10-2м·К; ελ – спектральный коэффициент излучения, соответствующий используемой длине волны.
Для пирометров спектрального отношения обычно используют измерение спектральной плотности излучения двух или более длин волн. Условная температура, измеренная такими приборами, носит название цветовой Tц и связана с действительной температурой следующим соотношением:
где ελ 1 и ελ 2 – спектральные коэффициенты излучения, соответствующие используемым в приборе длинам волн.
2. СТАЦИОНАРНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ПИРОМЕТР ЧАСТИЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ СИГНАЛА «ТЕРМОСКОП-200»
Инфракрасный стационарный пирометр «Термоскоп-200» предназначен для измерения температур в энергетике, металлургии и других отраслях промышленности. Это прибор, анализирующий инфракрасное излучение от объекта измерения в ограниченном диапазоне частот при помощи фотоприемника. В зависимости от спектрального диапазона и модели главной линзы пирометра прибор может работать в различных температурных диапазонах (табл. 3).
|
|
|
Таблица 3
Температурные диапазоны, характеристики оптической системы и фотоприемников
пирометра «Термоскоп-200»
| Модель и материал главной линзы | Температурный диапазон, °С | Спектральный диапазон, мкм | Показатель визирования | Фотоприемник |
| НТ0, германий | -20-500 | 8-14 | 30:1 | Термобатарея |
| НТ1, германий | 0-500 | 8-14 | 30:1 | Термобатарея |
| СТ0, стекло | 400-900 | 1.4-1.65 | 50:1 | In-Ga-As фотодиод |
| СТ1, стекло | 500-1200 | 1.4-1.65 | 50:1 | In-Ga-As фотодиод |
| ВТ0, стекло | 700-1300 | 0.75-1.1 | 75:1 | Кремниевый фотодиод |
| ВТ1, стекло | 800-1400 | 0.75-1.1 | 75:1 | Кремниевый фотодиод |
| ВТ2, стекло | 1000-2000 | 0.75-1.1 | 75:1 | Кремниевый фотодиод |
| СЛ, флюорит | 300-1500 | 5.0-5.2 | 50:1 | Термобатарея |
Термин «показатель визирования» введен в пирометрической технике для описания и сравнения оптических систем пирометров. Показатель визирования – это отношение расстояния между пирометром и объектом измерения к диаметру пятна визирования. Пятно визирования – это минимальный диаметр объекта измерения, необходимый для контроля температуры при эксплуатации прибора. Таким образом, пирометром с более высоким показателем визирования возможно измерение температуры объекта, меньшего по своим геометрическим размерам. У современных пирометров величина показателя визирования может достигать значения 500:1 и выше. Рекомендуется, чтобы пятно визирования было несколько меньше, чем сам объект измерения. У современных пирометров различают два вида оптической системы: с постоянным и переменным фокусным расстоянием. «Термоскоп-200» – прибор с постоянным фокусным расстоянием. Пятно визирования в фокусе имеет наименьший диаметр, а в бесконечности максимальный. Поэтому различают два показателя визирования: в фокусе и в бесконечности (в фокусе показатель визирования максимальный). Пирометры данного типа рекомендуется устанавливать таким образом, чтобы фокусное расстояние и расстояние между пирометром и объектом измерения совпадали. Если это условие по каким-либо причинам невыполнимо, тогда необходимо учитывать, пятно какого диаметра необходимо обеспечить на выбранном расстоянии. На рис. 1 приведен пример оптической системы, где указан диаметр пятна визирования в зависимости от расстояния.
Рис.1 Пример определения диаметра пятна визирования
для пирометра «Термоскоп-200-НТ0-СР»
Правильное наведение пирометра на объект измерения – залог представительных измерений. Для пирометров частичного излучения необходимо, чтобы объект полностью перекрывал пятно визирования. На рис. 2 приведены примеры расположения пятна визирования относительно объекта измерения. Первый вариант – правильный: объект с гарантированным запасом перекрывает пятно визирования. Второй вариант – нежелательный: размеры объекта сопоставимы с пятном визирования, при небольшом смещении объекта пирометр будет давать неверные показания (занижать температуру). Третий вариант – неправильный: пятно визирования больше объекта, пирометр будет всегда занижать показания.
|
|
|
Рис. 2. Примеры расположения пятна визирования относительно объекта измерения
Структурная схема пирометра «Термоскоп-200» представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема пирометра «Термоскоп-200»:
1– защитное стекло (может отсутствовать), 2– главная линза, 3– фильтр, 4– фотоприемник, 5–система диафрагм и защиты от боковых подсветок, 6– датчик температуры фотоприемника.
Оптическая система прибора состоит из главной линзы 2, системы диафрагм и защиты от боковых подсветок 5 и фильтра 3. Главная линза концентрирует поток излучения от объекта и, проходя через фильтр 3, на фотоприемник попадает только строго определенный диапазон спектра. Система диафрагм и защита от боковых подсветок 5 определяет показатель визирования прибора и устраняет влияние излучения посторонних объектов на результаты измерения. Фотоприемник 4 преобразует поступающий на него поток излучения в электрический аналоговый сигнал. Расположенный в непосредственной близости от фотоприемника датчик температуры позволяет устранить влияние окружающей температуры на характеристики фотоприемника. Вначале входной усилитель усиливает сигнал фотоприемника до уровня, необходимого для работы аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Затем преобразованные в цифровой вид сигналы от фотоприемника и датчика температуры поступают для обработки в микропроцессор. Им решается задача определения температуры объекта с учетом поправок на степень черноты объекта (вносится вручную оператором при помощи задатчика) и температуру фотоприемника. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на выходе прибора формирует аналоговый унифицированный токовый сигнал 4…20 мА.
Прибор «Термоскоп-200» может комплектоваться различными принадлежностями: устройством обдува объектива, защитным экраном с трубой, регулируемой монтажной стойкой, водо- и воздухоохлаждаемым кожухом. Для точного наведения пирометра на объект используются либо оптические визиры, либо лазерный целеуказатель.
|
|
|
