7-5. Пирометры спектрального отношения

Пирометры спектрального отношения или цветовые фотоэлектрические пирометр применяются для автоматического измерения температуры в металлургической и в других отраслях промышленности, а также в практике научных исследований.

Рис. 7-5-1. Схемы двухканальных пирометров спектрального отношения. нагретое тело; О — объектив; призма, и — зеркала; обтюратор; синхронный двигатель; красный и синий светофильтры; фотоэлементы; электронный усилитель; пересчетная схема; 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 приемник поочередно, пирометр выполняется по двухканальной или одноканальной схеме.

На рис. 7-5-1 приведены принципиальные схемы двухканальных пирометров спектрального отношения, В схеме пирометра (рис.

7-5-1, а) излучение от нагретого тела после объектива с помощью призмы раздваивается и направляется через светофильтры (например, красный и синий) на два фотоэлемента. Сигналы фотоэлементов, усиленные усилителями, подаются на пересчетную схему, выполняющую функции делительного звена; в качестве измерительного прибора может быть использован автоматический потенциометр. В качестве пересчетной схемы можно применить и логарифмический делитель. В этом случае используется то обстоятельство, что логарифм отношения спектральных яркостей пропорционален обратному значению цветовой температуры.

Зависимость логарифма отношения двух спектральных яркостей в участках спектра, характеризуемых соответственно эффективными длинами волн от обратного значения цветовой температуры на основании формулы (7-2-10) может быть приведена в виде

Деление в пересчетной схеме может быть осуществлено включением в каждый канал логарифмирующих звеньев и вычитанием полученных сигналов. Таким образом, разность сигналов, измеренная Потенциометром, будет являться обратным значением измеряемой цветовой температуры. Недостатком рассмотренной схемы пирометра является зависимость характеристик от стабильности преобразующих элементов каждого канала.

Схема двухканального пирометра спектрального отношения (рис. 7-5-1, б) имеет дисковый обтюратор, служащий для модуляции потока лучистой энергии. Наличие в схеме прибора модулятора света позволяет использовать более стабильные усилители переменного тока, однако нестабильность фотоэлементов и здесь может служить источником погрешностей. Обработка сигналов, поступающих с фотоэлементов, ведется так же, как и в схеме рис. 7-5-1, а.

В одноканальных пирометрах два различных монохроматических потока лучистой энергии подаются попеременно на один фотоэлектрический приемник в большинстве случаев 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.

Из числа новых пирометров, выполненных по одноканальной схеме, заслуживает большого внимания пирометр спектрального отношения созданный в Институте металлургии им. А. А. Байкова АН СССР под руководством Д. Я. Свет, для измерения истинной (действительной) температуры нагретых тел [65]. Этот пирометр

является первым в мировом практике автоматическим прибором для измерения действительной температуры стали, чугуна, алюминия и других металлов, показания которого не зависят от того, является ли поверхность металла чистой, либо частично или полностью покрыта окисной пленкой.

Пирометр основан на принципиально новом методе получения информации о лучеиспускательной способности излучающей поверхности. В основе этого метода, реализованного в пирометре для измерения действительной температуры по отношению спектральных энергетических яркостей и при неизменной и изменяющейся лучеиспускательной способности, лежит установленная в [66—68] закономерность между длинами волн теплового излучения тел и их излучательной способностью позволяющая получить информацию об независимо от температуры в виде инвариантных спектральных распределений:

Для двух составляющих где безразмерные значения длин волн

Инвариант позволяет определить непосредственно по значению спектральных составляющих, если функцию аппроксимировать полиномом степени. Таким образом, принципиально методическая погрешность за счет изменения лучеиспускательной способности объекта, температура которого измеряется, может быть исключена. При числе измеряемых спектральных составляющих меньше, чем степень аппроксимирующего полинома, минимизация методической погрешности с помощью может быть осуществлена за счет использования априорной информации об

В автоматическом пирометре используются всего две спектральные составляющие и с эффективными длинами волн и выделяемые с помощью вращающегося перед приемником излучения обтюратора с двумя светофильтрами Информация об извлекаемая в процессе измерения непосредственно из энергии излучения поверхности, автоматически по найденому алгоритму вычисляется в виде некоторой функции где значения спектральных коэффициентов излучения для эффективных длин волн и

В рассматриваемом пирометре, представляющем собой самокорректирующееся оптикоэлектронное устройство, реализуется указанный выше инвариантный алгоритм в виде

где постоянные коэффициенты»

Для практическом реализации метода измерения действительной температуры в вычислитель поправок электронного блока пирометра заранее (при его градуировке) вводится необходимый объем априорной информации о возможных значениях спектральных коэффициентов излучения поверхности, хранящихся в памяти прибора в виде ряда значений температурных поправок, соответствующих изменению излучательной способности поверхности жидкого металла, например от чисто зеркальной до полностью окисленной.

Схема устройства пирометр а действительной температуры. Пирометр (рис. 7-5-2) состоит из первичного преобразователя, электронного блока, автоматического потенциометра КСП4 или другого типа и стабилизатора напряжения, который на схеме не показан.

Рис. 7-5-2. Схема устройства пирометра действительной температуры ПИТ-1. НТ - нагретое тело; 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 источник питания; СД - синхронный двигатель; фотоэлемент предварительный усилитель; визирное устройство; источник стандартного излучения; КСП4 — автоматический потенциометр.

В первичном преобразователе в качестве приемника энергии излучения используется фотоэлемент с мультищелочным катодом Ф-15 (или фотодиод). Спектральная чувствительность мультищелочного фотоэлемента удовлетворяет требованиям стабильности по «красно-синему» отношению в течение длительного времени. Высокая температурная стабильность спектрального отношения фотоэлемента Ф-15 позволяет применять его в пирометрах без специального термостатирования [64].

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 вращении обтюратора попеременно попадает излучение красной и синей спектральной яркостей, Сигналы фотоэлемента, пропорциональные

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

По измеренным значениям функции из массива априорной информации в канал вычислителя цветовой температуры находящегося в преобразователе, с помощью логического устройства вычислителя поправок синхронно вводится соответствующее значение температурных поправок через каждые 0,02 с. С выхода преобразователя сигналы, пропорциональные и поступают на вход сумматора. На вход автоматического потенциометра КСП4 с выхода сумматора подается суммарный сигнал цветовой температуры с поправкой . В каждый момент времени вторичный прибор КСП4 пирометра показывает и записывает значение действительной температуры

В процессе работы пирометра правильность градуировки его может быть проверена по встроенному в первичный преобразователь источнику стандартного излучения и при необходимости откорректирована с помощью селективного поглощающего стекла 7.

Первичный преобразователь имеет устройства для охлаждения и для отдува дыма с помощью сжатого воздуха или инертного газа.

Пирометр рассчитан на диапазон измерения действительных температур 800-2000°С. Для контроля действительных температур чугуна и стали пирометр имеет диапазон измерения 1350— 1650°С.

Суммарная погрешность измерения действительных температур при изменении коэффициента лучеиспускательной способности излучающей поверхности от 0,3 до 1 не превышает нормирующего значения.

Угол визирования преобразователя пирометра в зависимости от диапазона температур. У варианта пирометра для измерения действительной температуры стали минимальный угол визирования не более

Пирометр типа использующий инфракрасную область спектра, имеет нижний предел измерения температуры 300°С,