7-4. Фотоэлектрические пирометры

Фотоэлектрические пирометры являются автоматическими показывающими и записывающими приборами. Они позволяют измерять и записывать яркостную температуру неподвижных или движущихся тел, нагретых до видимого свечения, например температуры при высокочастотном нагреве, температуры прокатываемого металла и т. п.

Фотоэлектрические методы измерения яркостей широко используются в прецизионных фотоэлектрических установках, применяемых для научных исследований и эталонных работ в области оптической пирометрии. Фотоэлектрические методы позволили превзойти точность в измерении яркостей, которая была достигнута в визуальной оптической пирометрии, так как в последнем случае точность ограничена контрастной чувствительностью человеческого глаза.

В фотоэлектрических пирометрах в качестве приемника излучения (чувствительного элемента) используют фотоэлемент, фотосопротивление и т. п. При освещении фотоэлемента в цепи его возникает ток, пропорциональный световому потоку, испускаемому нагретым телом. Следует отметить, что применяемые фотоэлементы (сурьмяно-цезиевые, кислородно-цезиевые, с запирающим слоем и др.) обладают различной спектральной чувствительностью, которая зависит от типа фотоэлемента.

В зависимости от того, какой рабочий спектральный интервал используется в существующих фотоэлектрических пирометрах, они могут быть разделены на две группы. К первой группе относятся фотоэлектрические пирометры, у которых при применении красного светофильтра с областью пропускания, начинающейся с длины волны около 0,6 мкм, используется сравнительно узкий рабочий спектральный интервал фотоэлемента — от 0,6 до 0,72 мкм. Благодаря этому у пирометров этого типа и у визуальных оптических пирометров эффективные длины волн практически совпадают. Градуировка и роверка фотоэлектрических пирометров этого типа производится с помощью температурных ламп, снабженных стеклом ПС-5 и градуированных на яркостные температуры в свете длины волны

Поскольку эффективные длины волн указанных фотоэлектрических пирометров и визуальных оптических пирометров одинаковы, то яркостные температуры, измеренные этими приборами, будут совпадать в пределах их суммы допустимых основных погрешностей. Переход к действительным температурам тел от их яркостных температур, измеренных фотоэлектрическим пирометром, можно осуществлять с помощью уравнений (7-2-14) и (7-2-15) или специальных таблиц.

Широко применяемым фотоэлектрическим пирометром первой группы является прибор ФЭП-4 с нижним пределом измерения Из числа выпускаемых фотоэлектрических пирометров за

границей к первой группе относятся, например, пирометры «Оптиматик» (США).

Ко второй группе относятся фотоэлектрические пирометры, использующие широкие спектральные области излучения. Эффективные длины волн у фотоэлектрических пирометров этого типа значительно различаются. Яркостные температуры, измеренные фотоэлектрическими пирометрами, со значительно различающимися эффективными длинами волн, характеризуются несравнимыми значениями. Широкие спектральные интервалы, используемые в фотоэлектрических пирометрах, исключают возможность осуществлять их градуировку и поверку с помощью температурных ламп, градуированных в свете какой-либо определенной длины волны. Поэтому фотоэлектрические пирометры второй группы градуируются и поверяются только по модели черного тела.

Переход от яркостных температур, измеренных фотоэлектрическими пирометрами этого типа, к действительной температуре физического тела представляет большие трудности, так как для этого необходимо знать значения коэффициентов излучения для эффективных длин волн, лежащих в различных интервалах длин волн. В настоящее время такие данные о значениях коэффициентов черноты излучения для большинства физических тел отсутствуют, а имеющиеся же данные значений для некоторых длин волн, в частности, для далеко недостаточны.

Вследствие вышеизложенных причин фотоэлектрические пирометры второй группы применяются главным образом в тех случаях, когда по условию технологического процесса контроль температуры тел не требует знания действительной температуры. Однако необходимо отметить, что некоторые типы фотоэлектрических пирометров этой группы снабжаются графиком поправок, позволяющим осуществлять переход от показаний этих приборов к действительной температуре тела.

Ко второй группе относятся приборы ФЭП с нижним пределом измерения 500°С (с фотоэлементом ЦВ-3), АРС с фотоэлементом СУВ-3 и ряд других.

Для ознакомления с устройством фотоэлектрических пирометров в качестве примера рассмотрим применяемые пирометры ФЭП-4. В пирометрах этого типа с диапазоном измерения яркостной температуры от 800 до 4000°С используется вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент типа чувствительный к излучению только видимой области спектра. На рис. 7-4-1 представлены кривые спектральной чувствительности сурьмяно-цезиевого фотоэлемента 1 и пропускания красного светофильтра 2. Из этого графика видно, что фотоэлемент в сочетании с красным светофильтром реагирует на излучение с длиной волны от 0,60 до При этом эффективная длина волны пирометра в диапазоне измеряемых температур остается практически постоянной Вследствие этого температура, показываемая фотоэлектрическим пирометром, как отмечалось выше, будет совпадать с яркостной

температурой, измеренной визуальным оптическим пирометром, в пределах суммы допускаемых основных погрешностей обоих приборов,

В пирометрах ФЭП с диапазоном измерения температуры от 500 до 1100°С применяется кислородно-цезиевый фотоэлемент чувствительный к излучению в области длин волн от 0,4 до Эффективная длина волны этих пирометров Температура, показываемая пирометром этого типа, несколько отличается от яркостной температуры, измеренной оптическим пирометром.

Пирометры ФЭП с фотоэлементом снабжаются графиком поправок, позволяющим определять действительную температуру тела по показаниям этих приборов.

Рис. 7-4-1. Кривые спектральной чувствительности сурьмяно-цезневого фотоэлемента и пропускания красного светофильтра (2).

Фотоэлектрический пирометр ФЭП-4 (рис. 7-4-2) состоит из следующих отдельных блоков: первичного преобразователя (визирной головки) 1, включающего в себя фотоэлемент 2, оптическую систему, модулятор света 3, лампу обратной связи 4 и двухкаскадный электронный усилитель 5; силового блока 6; феррорезонансного стабилизатора напряжения 7; быстродействующего автоматического потенциометра 8; разделительного трансформатора 9.

Изображение источника излучения 10 с помощью объектива 11 создается в плоскости отверстия 12 в держателе красного светофильтра 13, установленного перед фотоэлементом 2. Неподвижная диафрагма 14, установленная за объективом, обеспечивает постоянство входного угла, а размер отверстия 12 определяет ту часть светового потока, которая создает освещенность катода фотоэлемента. При фокусировке изображение объекта 10, которое рассматривается через визирное устройство, состоящее из окуляра 15 и наклонного зеркала 16, должно полностью перекрывать отверстие 12. В этом случае световой поток, падающий на катод фотоэлемента, зависит только от яркости объекта, ахледовательно, и от яркостной температуры его.

Через второе отверстие 17 в держателе красного светофильтра на катод фотоэлемента подается световой поток от лампы 4, питаемой током выходного каскада силового блока 6. С помощью этой лампы в пирометре осуществляется обратная связь по световому потоку. Перед держателем красного светофильтра, а вместе с тем и перед фотоэлементом установлена заслонка 18 модулятора света 3. С помощью этого устройства световые потоки, падающие на катод фотоэлемента, от объекта и лампы обратной связи модулируются с

частотой 50 Гц в противофазе. При неравенстве этих световых потоков в цепи фотоэлемента потечет ток, переменная составляющая которого пропорциональна разности освещенностей катода обоими источниками, Переменная составляющая фототока усиливается электронным усилителем 5, выпрямляется фазовым детектором силового блока 6 и подается на сетки ламп его выходного каскада-усилителя постоянного тока, В общую цепь катодов ламп этого выходного каскада включена последовательно лампа обратной связи. При этом в цепи этой лампы ток накала будет меняться до тех пор, пока на катоде фотоэлемента не уравняются световые потоки от источника излучения и лампы.

Рис. 7-4-2. Схема устройства фотоэлектрического пирометра типа ФЭП-4.

Следует отметить, что световой поток от лампы обратной связи несколько отличается от потока визируемого объекта, одиако благодаря большому коэффициенту усиления системы разность между этими потоками мала. Таким образом, с достаточной точностью можно считать, что сила тока в цепи лампы обратной связи однозначно связана с яркостной температурой визируемого тела. В цепь лампы обратной связи включен постоянный калиброванный резистор падение напряжения на котором измеряется быстродействующим автоматическим потенциометром, снабженным шкалой, позволяющей производить отсчет яркостной температуры, выраженной в градусах Цельсия,

Пределы допускаемой основной погрешности показаний пирометров с диапазоном измерения от 800 до 2000°С не превышают ±1% верхнего предела измерения. Для двушкальиых пирометров с диапазоном измерения 1200—2000°С предел допускаемой

основной погрешности а для второй шкалы с верхним пределом измерений выше не превышает верхнего предела измерения. Время установления показаний пирометра около 1 с. Порог чувствительности пирометра составляет верхнего предела измерения прибора.