Пирометры спектрального отношения.

Цветовая пирометрия основана на изменении распределения энергии внутри данного участка спектра излучения тела в зависимости от температуры.

Пирометры спектрального отношения, или цветовые (в иностранной литературе – логометрические), применяются для автоматического измерения температуры в металлургической и в других отраслях промышленности, а также в практике научных исследований.

Цветовой пирометр в некоторых случаях (серое тело) позволяет получить результат измерения независимо от коэффициента излучения или паразитного влияния некоторых внешних факторов, а во всех остальных ситуациях погрешность за счет степени черноты будет заведомо меньшей.

Спектральный прибор измеряет интенсивность излучения при одной длине волн и на основании этого определяет температуру. При возникновении помех (пыль, пар, загрязненные смотровые стекла, меняющиеся коэффициенты излучения и т.п.), которые уменьшают сигнал, это приводит к существенной погрешности индикации температуры.

Цветовой (логометрический) пирометр одновременно осуществляет измерения на двух длинах волн. Прибор из двух этих интенсивностей образует соотношение (коэффициенты), которое пропорционально температуре. При возникновении ослабления сигнала в такой же мере ослабевают обе интенсивности пирометра, но соотношение остается постоянным и величина температуры тем самым не изменяется.

Этот метод измерения, хоть и в меньшей мере, но также зависит от свойств излучения объекта. Как уже описывалось, коэффициент излучения зависит от длины волны. Неравномерное изменение обнаруживаемой интенсивности излучения у обеих длин волн ведет к тому, что происходит изменение соотношения интенсивностей и тем самым изменяется температурная индикация. Таким образом, оба коэффициента излучения могут иметь различную величину. По этой причине у пирометров спектрального отношения параметром, влияющим на величину измерения, является не устанавливаемый коэффициент излучения, а соотношение коэффициентов излучения. Этот параметр непосредственно влияет на величину измерения. Несмотря на это, во многих областях логометрические пирометры позволяют минимизировать паразитические влияния. Места измерения, где можно вычислить номинальное воздействие пыли, дыма или загрязненных смотровых стекол, дают с помощью логометрического пирометра стабильные результаты измерения.

Р и с. 2.9. Схема двухканального пирометра спектрального отношения.

О – объектив; П – призма; З₁и З₂– зеркала; СФ_ки СФ_с– красный и синий светофильтры; Ф₁и Ф₂– фотоэлементы; ЭУ – электронный усилитель; ПС - пересчетная схема; ИП – измерительный прибор

Пирометры спектрального отношения основаны на зависимости от температуры тела отношения спектральных энергетических яркостей в двух участках спектра с определенными значениями эффективных длин волн. В зависимости от того, используется ли для каждой из спектральных яркостей отдельный приемник (фотоэлемент, фотодиод и т. п.) или обе яркости воздействуют на один и тот же чувствительный элемент поочередно, пирометр называется двухканальным или одноканальным.

На рис. 2.9 приведена принципиальная схема двухканального пирометра спектрального отношения. Излучение от нагретого тела после объектива с помощью призмы раздваивается и направляется через светофильтры (например, красный и синий) на два фотоэлемента. Сигналы фотоэлементов, усиленные ЭУ, подаются на пересчетную схему, где аналитически на основании измеренной и априорной информации определяется цветовая температура, значение которой очень близко к действительному. Недостатком такой схемы является зависимость характеристик от стабильности преобразующих элементов каждого канала.

Схема двухканального пирометра спектрального отношения может быть построена на основе дискового обтюратора, обеспечивающего модуляцию потока лучистой энергии. В этом случае поток разных длин волн попеременно подается на каждый фотоэлемент, что позволяет использовать более стабильные усилители переменного тока, однако нестабильность фотоэлементов и здесь может служить источником погрешностей.

В одноканальных пирометрах два различных монохроматических потока лучистой энергии подаются попеременно на один фотоэлектрический приемник также с помощью дискового обтюратора (оптического коммутатора), в отверстиях которого расположены соответствующие светофильтры (например, красный и синий). Одноканальный принцип измерения повышает стабильность характеристик пирометров при снижении требований к постоянству характеристик элементов схемы. Поэтому созданные за последние годы пирометры спектрального отношения в большинстве случаев выполнены по одноканальной схеме.

Одноканальный пирометр действительной температуры (рис. 2.10) состоит из следующих элементов: 1 – первичный преобразователь; 2 – объектив; 3 – полупрозрачное зеркало; 4 – зеркало; 5 – обтюратор; 6 и 7 – селективные поглощающие стекла; 8 – электронный блок; 9 – измерительный преобразователь; 10 – сумматор сигналов; 11 – вычислитель поправок по измеренным значениям функции F(ε₁ , ε₂); 12 – источник питания; СД – синхронный двигатель; Ф – фотоэлемент; ПУ – предварительный усилитель; В – визирное устройство; ИСИ – источник стандартного излучения; КСП4 – автоматический потенциометр.

Энергия излучения нагретого тела, действительная температура которого измеряется, поступает через объектив, полупрозрачное зеркало, обтюратор, вращаемый синхронным двигателем, и поглощающие стекла на фотоэлемент. Обтюратор выполнен в виде диска с двумя отверстиями, одно из которых закрыто красным светофильтром, другое – синим. Поэтому на фотоэлемент при вращении обтюратора попеременно попадает излучение красной и синей спектральных яркостей.

Сигналы фотоэлемента, пропорциональные спектральным яркостям и усиленные предварительным усилителем, подаются по кабелю на вход преобразователя электронного блока.

Для практической реализации метода измерения действительной температуры в вычислитель поправок заранее (при его градуировке) вводится необходимый объем априорной информации о возможных значениях спектральных коэффициентов излучения материала, соответствующих изменению излучательной способности поверхности измеряемого объекта. До недавнего времени пересчетная схема реализовывалась на аналоговых элементах, сейчас все вычисления проводятся аналитически, в контроллере.

По измеренным значениям E(ε₁, λ₁, Т) и E(ε₂, λ₂, Т) формируется функция F(ε₁, ε₂). Из массива априорной информации в модуль вычислителя цветовой температуры вводится соответствующее значение температурных поправок ΔT, на сумматоре они складываются, и регистрирующий прибор показывает и фиксирует значение действительной температуры Т_Д = Т_Ц – ΔT.

В процессе работы пирометра правильность градуировки его может быть проверена по встроенному в первичный преобразователь источнику стандартного излучения ИСИ. При необходимости коррекция измеренного значения может быть проведена введением соответствующих поправок в вычислительный блок или изменением данных по степени черноты материала.

Цветовой пирометр дает очень хороший результат при измерении температуры серых тел, у которых значение спектральной степени черноты в данном участке спектра не меняется с длиной волны (ε₁=ε₂). При температурах выше 1000ºС излучение большого количества окислов и карбидов металлов практически серое.