7-3. Оптические пирометры

Оптические пирометры или так называемые пирометры визуальные с «исчезающей» нитью переменного накала широко применяются для измерения костной температуры в видимой области спектра.

Интервал измеряемых температур для общепромышленных пирометров с исчезающей нитью установлен от 700 до 8000°С в видимой области спектра (ГОСТ 8335-74),

Измерение яркостных температур пирометрами с исчезающей нитью основано на сравнении в свете эффективной длины волны в видимой области спектра яркости исследуемого тела с яркостью нити пирометрической лампы. При этом в качестве чувствительного элемента (лучеприемника) для фиксирования наличия или отсутствия равновесия яркостей двух одновременно рассматриваемых изображений тел служит человеческий глаз, Вследствие этого измерения температуры пирометром с исчезающей нитью отличаются известной субъективностью, что следует иметь в виду при их применении.

Рис. 7-3-1. Схема устройства оптического пирометра с исчезающей нитью накала. 1 — объектив; 2 — пирометрическая лампа; 3 — окуляр; 4 — диафрагма входная; 5 — диафрагма выходная; 6 — красный светофильтр; 7 — поглощающее стекло; 8 — реостат.

Пирометр (рис. 7-3-1) состоит из первичного преобразователя (телескопа), измерительного прибора и источника питания. Изображение объекта, температуру которого необходимо измерить, с помощью объектива создается в фокальной плоскости телескопа, В этой же плоскости расположена вольфрамовая нить пирометрической лампы. Окуляр телескопа, предназначенный для наблюдения нити лампына фоне изображения источника излучения (объекта), может перемещаться вдоль оптической оси, что дает возможность устанавливать необходимую видимость нити лампы на фоне изображения объекта. Для постоянства и ограничения углов входа и выхода в оптической системе телескопа установлены две диафрагмы. При строго определенных значениях входного и выходного углов, размера отверстия входной диафрагмы, диаметра объектива в свету, фокусного расстояния окулярной линзы и диаметра выходного зрачка (выходной диафрагмы) телескопа, а также некоторых других размеров достигается независимость показаний оптического пирометра от изменения положения объектива относительно фокальной плоскости, а следовательно, и от изменения расстояния от источника излучения до объектива.

Между окуляром и выходной диафрагмой находится стеклянный красный светофильтр для монохроматизации пучка лучей, попадающих в глаз наблюдателя. Этот светофильтр можно вывести из поля зрения для облегчения наводки и фокусировки телескопа при небольшой яркости источника излучения, но в момент уравнивания яркости и измерения он должен быть обязательно введен в поле зрения.

Накал нити пирометрической лампы, а следовательно, и ее яркость зависят от протекающей по нити силы тока, которая регулируется с помощью реостата.

В общепромышленных оптических пирометрах в качестве измерительного прибора используется показывающий милливольтметр со шкалой, позволяющей производить отсчет яркостной температуры, выраженной в градусах Цельсия. В некоторых типах оптических пирометров в качестве показывающего прибора применяется миллиамперметр, включаемый последовательно с нитью лампы. Следует отметить, что при начале свечения нити лампы ток составляет примерно 50% тока при накале нити, соответствующем температуре верхнего предела измерения, в то время как напряжение на зажимах лампы достигает примерно 25% напряжения, соответствующего той же температуре. Поэтому измерять напряжение на зажимах лампы выгоднее, чем ток, так как в этом случае лучше используется шкала электроизмерительного прибора. В оптических пирометрах повышенной точности и образцовых в качестве измерительных приборов используются потенциометры, обеспечивающие большую точность измерения.

При фокусировке телескопа объектив перемещают вдоль оптической оси, добиваясь резкой видимости объекта и совпадения плоскости его изображения с плоскостью нити лампы. Когда телескоп фокусирован на объект, яркостная температура которого измеряется, в поле зрения на фоне изображения источника видна верхняя часть дуги нити лампы. Если при этом яркость нити будет меньше, чем яркость фона изображения источника, то нить представится черной; если фон имеет меньшую по сравнению с нитью яркость, то нить будет выглядеть как светлая дуга на более темном фоне. Меняя сопротивление реостата, можно установить такую силу тока, при которой в пределах контрастной чувствительности человеческого глаза равенство яркостей нити и фона создает эффект исчезновения нити, которая перестает быть видимой. Соответствующее этому равенству яркостей напряжение на зажимах лампы отсчитывается по включенному в цепь измерительному прибору. Для удобства применения рабочих пирометров показывающие приборы снабжаются обычно шкалой, позволяющей отсчитывать непосредственно яркостную температуру, выраженную в градусах Цельсия,

В оптических пирометрах для монохроматизации света применяют светофильтр из красного стекла марки КС-15, На рис. 7-3-2 представлены кривые пропускания красного светофильтра для разных длин волн и относительной спектральной чувствительности человеческого глаза или так называемой относительной видности глаза. Горизонтальная штриховка обозначает спектральную область чувствительности человеческого глаза, а наклонная штриховка — область поглощения лучистой энергии в красном светофильтре. Таким образом, человеческий глаз через красный светофильтр воспринимает только область спектра, отмеченную горизонтальной и вертикальной штриховкой. Это позволяет световой поток

рассматривать как эквивалентное монохроматическое излучение со значением эффективной длины волны определяемым с погрешностью, обычно не превышающей . У применяемых оптических пирометров с красным светофильтром из стекла эффективная длина волны лежит в пределах

Выше отмечалось, что при повышении температуры тела в соответствии с законом смещения Вина максимум энергии излучения смещается в сторону коротких волн; это в свою очередь обусловливает уменьшение эффективной длины волны пирометра. Для пирометра, использующего для монохроматизации красный светофильтр, смещение эффективной длины волны при измерении температуры, тела от 800 до 3000°С не превышает Это смещение не велико и для рабочих пирометров не учитывается.

Рис. 7-3-2. Кривые спектральной чувствительности человеческого глаза (1) и пропускания красного светофильтра (2). относительная спектральная чувствительность человеческого глаза; — спектральный коэффициент пропускания красного светофильтра.

Надежность работы оптических пирометров определяется главным образом стабильностью характеристик пирометрической лампы и постоянством показаний измерительного прибора. Опыт показал, что у пирометрической лампы с вольфрамовой нитью в течение очень долгого времени сохраняется постоянство характеристик, т. е. зависимость яркости нити от силы тока, протекающего через нее, если, нить лампы не подвергается нагреву выше Поэтому для измерения яркостной температуры выше 1400°С телескоп оптического пирометра снабжают поглощающим стеклом, помещаемым между объективом и пирометрической лампой. Поглощающее стекло может быть установлено и перед объективом в целях уменьшения его нагрева. Поглощающее стекло, предназначенное для ослабления яркости источника излучения, обычно характеризуют его коэффициентом пропускания. Значение этого коэффициента показывает, какая доля лучистой энергии спектрального участка, используемого в оптическом пирометре, упавшая на стекло, пропускается им. Таким образом, измерение яркостных температур с включенным поглощающим стеклом производится путем сравнения неослабленной яркости нити пирометрической лампы с ослабленной яркостью источника излучения.

В качестве поглощающего стекла обычно применяют пурпурное стекло марки а иногда марки Проведенные во ВНИИМ исследования показали, что оптическая плотность этих. стекол зависит от температуры самих стекол. При повышении температуры поглощающего стекла его оптическая плотность увеличивается,

а стекла уменьшается. Следует также иметь в виду, что влияние температуры у стекла оказывается несколько сильнее, чем у стекла

В приборах, имеющих верхний предел измерений устанавливают поглощающее стекло такой оптической плотности, чтобы при яркостной температуре объекта 2000°С яркостная температура изображения не превышала 1400° С. Некоторые типы оптических пирометров снабжаются двумя поглощающими стеклами: одно, например, для измерения температур от 1200 до второе — от 1800 до Оптическая плотность поглощающих стекол в данном случае выбирается так же, как и в предыдущем случае, т. е. при яркостной температуре объекта 2000 или 3000° С яркостная температура изображения не должна превышать

Показывающие приборы оптических пирометров, рассчитанные на два диапазона измерений, снабжаются двумя шкалами, например, первая предназначается для измерения яркостных температур в интервале 800—1400°С при выведенном поглощающем стекле, а вторая 1200—2000°С — для измерений с поглощающим стеклом.

Найдем соотношение между температурой черного тела, которое рассматривается при измерении в свете длины волны , непосредственно глазом наблюдателя, и температурой второго черного тела, которое в свете той же волны рассматривается при измерении через поглощающее стекло с коэффициентом пропускания

Меняя температуру второго тела до значения можно добиться того, что изображения обоих тел будут иметь одинаковую видимую яркость. Тогда, зная температуру длину волны и коэффициент пропускания поглощающего стекла, можно расчетным путем определить Используя уравнение (7-2-10) и учитывая, что согласно принятому условию получаем:

и после необходимых сокращений и логарифмирования будем иметь:

или

где

Величина А, характеризующая ослабляющее действие данного поглощающего стекла, получила название пирометрического ослабления.

Пирометрическое ослабление А может быть определено экспериментально с использованием формулы (7-3-2) сличением с

градуированным источником излучения. Уравнение (7-3-2) имеет большое значение в оптической пирометрии. Это уравнение позволяет производить градуировку и поверку шкалы оптических пирометров выше 1400°С; кроме того, на его основе с помощью набора ослабляющих устройств воспроизводится температурная шкала по одной опорной точке точке затвердевания золота [26].

Оптический пирометр типа ОППИР-017, снабженный встроенным в первичный преобразователь (телескоп) показывающим измерительным прибором, является техническим пирометром с исчезающей нитью переменного накала.

Рис. 7-3-3. Схема устройства оптического пирометра типа ОППИР-017.

Пирометр рассчитан на следующие диапазоны измерений яркостной температуры: . Схема прибора показана на рис. 7-3-3. Оптическая система пирометра состоит из объектива 1, окуляра 2, красного светофильтра 3, диафрагмы 4 для ограничения и обеспечения постоянства выходного угла и поглощающего стекла 5. В фокальной плоскости телескопа находится нить пирометрической лампы 6.

В качестве показывающего прибора используется дифференциальный амперметр 7 магнитоэлектрической системы с двумя рамками Рамка является основной и включена параллельно нити пирометрической лампы. Рамка представляющая собой дополнительную рамку, включенную последовательно с нитью лампы, создает вращающий момент, противоположный моменту основной рамки. Такая схема прибора позволяет уменьшить нерабочий участок его шкалы до минимального значения.

Сила тока, протекающего через нить, регулируется с помощью кольцевого реостата При повороте кольца, а следовательно, и движка 8 слева направо сопротивление реостата уменьшается. При крайнем левом положении кольца движок сходит со спиралей реостата и разрывает цепь питания током нити лампы. При этом движок соединяет концевые контакты 9 и замыкает накоротко основную рамку что способствует успокоению подвижной части прибора и уменьшению колебаний ее при переноске пирометра.

Принципиальная электрическая схема оптического пирометра ОППИР представлена на рис. 7-3-4, где основная и дополнительная рамки измерительного прибора; добавочные резисторы основной и дополнительной рамок; резистор, шунтирующий дополнительную рамку; пирометрическая лампа; К — концевые контакты; реостат для регулирования силы тока, протекающего через нить лампы; источник питания (напряжение от 2,6 до 2,0 В).

Рис. 7-3-4. Принципиальная электрическая схема оптического пирометра ОППИР-017.

Зажимы пирометрической лампы служат для подключения к ней другого прибора при отсоединенной измерительной схеме встроенного прибора (перемычка снята). В этом случае измерение силы тока, протекающего через нить пирометрической лампы, можно производить потенциометром путем измерения падения напряжения на образцовом резисторе, включаемом последовательно с нитью лампы и источником питания.

Лабораторный оптический пирометр типа ОП с исчезающей нитью переменного накала предназначается для измерения яркостных температур от 900 до Этот прибор применяют как образцовый 2-го разряда, так и для измерения температур при различных научных исследованиях.

Устройство оптического пирометра показано на рис. 7-3-5. Объектив 1 и окуляр 3 пирометра помещены в тубусы, закрепленные в кронштейне и соединенные с коробкой 5, в патроне которой установлена пирометрическая лампа 6. Перемещение объектива производится поворотом наружного кольца 2. Между пирометрической лампой и окуляром установлен красный светофильтр 7 для монохроматизации света.

Патрон пирометрической лампы снабжен юстировочным приспособлением, позволяющим устанавливать нить лампы на оптической оси прибора.

При наводке оптической системы пирометра на исследуемыи объект тубусы и коробки пирометрической лампы, закрепленные на кронштейне, могут поворачиваться на вертикальной винтовой стойке 8 в пределах 30°, а при вращении маховика 9 — подниматься

или опускаться на 100 мм. Основание пирометра 12 имеет упор и два установочных винта, позволяющих изменять наклон пирометра в нужных пределах. По окончании наводки положение оптической системы фиксируется с помощью стопорных винтов.

Внутри вертикальной винтовой стойки 8 проложены соединительные провода от патрона пирометрической лампы к реостатам грубой 10 и точной 11 регулировки. Для подключения источника питания и измерительной схемы предусмотрены зажимы 13.

Рис. 7-3-5. (см. скан) Лабораторный оптический пирометр типа ОП.

Для измерения яркостной температуры выше 1400°С пирометр снабжен вращающейся обоймой 14 с поглощающими стеклами. Обойма имеет три отверстия и может быть установлена в три положения: при установке в первое фиксированное положение пирометр работает в диапазоне при повороте обоймы в следующее положение вводится первое поглощающее стекло для диапазона измерения следующим поворотом обоймы вводится второе поглощающее стекло — для диапазона измерения

Измерение силы тока, протекающего через нить пирометрической лампы, производится лабораторным потенциометром путем измерения падения напряжения на образцовом резисторе 0,1 Ом, включенном в цепь источника питания последовательно с нитью лампы.

Кроме рассмотренных, для измерения яркостной температуры применяется прецизионный оптический пирометр типа ЭОП [26].

Основные методические указания по применению оптических пирометров. При измерении яркостной температуры с помощью оптического пирометра необходимо учитывать, что коэффициент излучения тела как отмечалось выше, зависит не только от температуры тела и длины волны, но и в сильной степени от характера поверхности данного тела. Увеличение шероховатости поверхности реального тела приводит к возрастанию Различная степень окисления поверхности металла приводит к изменению коэффициента излучения. В силу этого для повышения надежности определения действительной температуры тела целесообразно было бы одновременно с измерением яркостной температуры производить и определение коэффициента излучения данного тела. Однако это является довольно трудоемким процессом и вследствие этого приходится пользоваться коэффициентами излучения тел, установленными для некоторых наиболее распространенных состояний их поверхности.

Коэффициенты излучения некоторых тел для приведены в [26]. Следует иметь в виду, что в различных конкретных условиях измерения одно и то же тело может иметь коэффициент излучения значительно отличающийся от табличных данных,

Вследствие указанных выше причин переход от яркостной температуры реального тела к его действительной температуре связан с возникновением методической погрешности от неточности подбора числового значения коэффициента Отклонение от действительного значения может достигать Погрешность при переходе от яркостной температуры к действительной, вызываемая неточностью значения может быть оценена по формуле, получаемой дифференцированием уравнения (7-3-14) по

При неточности подбора числового значения равной ±15% , и значениях погрешность при переходе от яркостной температуры к Действительной составит:

Выше было сказано, что оптическая плотность поглощающего втекла зависит от его температуры. Поэтому при применении оптических пирометров в помещениях с температурами, отличающими необходимо учитывать возникновение дополнительной

погрешности измерении, значение которой зависит от марки поглощающего стекла и размера отклонения температуры стекла от нормальной области. Например, при измерении температуры и температуре поглощающего стекла дополнительная погрешность составит для применяемых марок стекла:

Подсчет этого вида дополнительной погрешности для другого значения измеряемой температуры отличного от , может быть произведен по формуле

Следует иметь в виду еще одну причину, значительно влияющую на результаты измерения, которую довольно часто не учитывают, а именно: при измерении температуры нагретого тела, освещенного посторонним источником, яркостная температура этого тела, показываемая оптическим пирометром, не соответствует действительной яркостной температуре тела, так как к собственной его яркости, обусловленной излучением этого тела, добавляется яркость, отраженная телом. Эта дополнительная яркость, зависящая от степени освещенности тела посторонним источником, будет тем больше, чем больше коэффициент отражения поверхности нагретого тела: Погрешность, обусловленную влиянием отраженных лучей (возникновением дополнительной яркости), не представляется возможным учесть с достаточной достоверностью, так как кроме значения коэффициента отражения тела в данном направлении необходимо знать степень освещенности тела от постороннего источника света. Поэтому при измерении температуры нагретого тела необходимо стремиться так организовать измерения, чтобы степень освещения тела посторонним источником света была сведена к минимуму.

Погрешность измерения, обусловленная влиянием отраженных лучей, может иметь место, например, при измерении температуры деталей вскоре после их загрузки в печь, при неравномерном нагреве частей печного пространства и т. д. Если печь имеет хорошо изолированные стенки и достаточно большое время находилась при данной температуре, то внутри печи, между ее стенками и находящимися в ней деталями, устанавливается удовлетворительное лучистое равновесие, и такую печь можно рассматривать как своего рода модель черного тела. В этом случае яркостная температура печи, измеряемая с помощью оптического пирометра, будет близка к ее действительной температуре, какова бы ни была степень черноты излучения деталей, загруженных в печь.

При измерениях яркостных температур оптическим пирометром возможна также погрешность, обусловленная ослаблением видимой яркости нагретого тела вследствие рассеяния и поглощения лучей

в слое задымленного или запыленного воздуха, находящегося между пирометром и данным телом. Определить суммарный коэффициент ослабления слоя этого воздуха для данной длины волны в производственных условиях представляет большие трудности. Поэтому учесть эту погрешность в большинстве случаев затруднительно.

Во многих практических случаях, например при измерении температуры жидкого металла в ванне, имеет место большая неопределенность действительного значения коэффициента черноты излучения объекта Известно, что образование на поверхности жидкого металла пленки окислов в значительной степени увеличивает значение визируемого зеркала металла и разность между яркостной температурой зеркала металла, измеренной оптическим пирометром, и его действительной температурой становится весьма неопределенной и меняющейся в процессе дальнейшего окисления поверхности металла.

Рис. 7-3-6. Схема установки огнеупорной трубы в ванну жидкого металла.

В тех случаях, когда желательно, чтобы показания оптического пирометра непосредственно характеризовали действительную температуру тела и не было необходимости вводить недостаточно определенные поправки, используют искусственную полость черного тела.

В качестве примера искусственной полости черного тела на рис. 7-3-6 представлена схема введения в ванну с жидким металлом огнеупорной глухой трубы. Внутреннюю полость визирной трубы, погруженную в жидкий металл на достаточную глубину можно считать изотермичной.

Монохроматический коэффициент черноты излучения такой полости можно определить по формуле [26]:

где внутренний диаметр глухой трубы; коэффициент отражения поверхности трубы.

Из этой формулы имеем

С помощью формулы (7-3-6) при известном можно определить значение отношения обеспечивающее требуемый коэффициент черноты излучения полости. При применении этой формулы необходимо иметь в виду, что чернота полости определяется не только размером ее отверстия, но и степенью изотермичности ее стенок.