7-6. Пирометры полного излучения

Для измерения радиационных температур нагретых тел в промышленных и лабораторных условиях применяют пирометры полного излучения (радиационные пирометры). Комплект пирометра состоит из первичного преобразователя (телескопа), одного или двух вторичных приборов и вспомогательных устройств.

Действие пирометров полного излучения основано на зависимости от температуры полной энергетической яркости тела, описываемой формулой Стефана-Больцмана (7-2-13). Первичный преобразователь пирометра должен быть снабжен теплочувствительным элементом и оптической системой, концентрирующей лучистую энергию тела, на теплочувствительном элементе, степень нагрева

которого, а вместе с тем и выходной сигнал его определяют радиационную температуру тела.

В качестве теплочувствительного элемента в большинстве случаев применяют миниатюрную термобатарею из нескольких последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей (например, хромель-копелевых или др.). Термобатарея в радиационных пирометрах старых выпусков помещалась в защитную стеклянную колбу. В пирометрах полного излучения, выпускаемых в настоящее время, применяют открытую термобатарею, т. е. без защитной стеклянной колбы, что значительно уменьшает инерционность первичного преобразователя пирометра.

Для концентрации лучистой энергии, исходящей из источника на теплочувствительный элемент, первичные преобразователи пирометров обычно снабжаются рефракторной оптической системой (собирающей линзой). При небольших мощностях лучистой энергии и, следовательно, невысоких температурах тел для концентрации энергии применяют рефлекторную оптическую систему (вогнутое зеркало). Применение собирающей линзы или зеркала способствует увеличению потока энергии, попадающего на теплочувствительный элемент приемника, что повышает значение его выходного сигнала. Наибольшее распространение имеют первичные преобразователи (телескопы) с рефракторной оптической системой. Применяемые в настоящее время пирометры полного излучения позволяют измерять температуру в диапазоне от 400 до 3500°С. Столь широкий интервал измеряемых температур обусловливает необходимость изготовлять линзы телескопов из оптических материалов, наиболее прозрачных для лучей тех длин волн, которые преимущественно испускаются нагретыми телами в данном рабочем интервале температур. Это особенно важно при измерении относительно невысоких температур, так как в этом случае излучаемая нагретым телом энергия невелика и поэтому необходимо, по возможности без потерь, довести ее до теплочувствительного элемента первичного преобразователя пирометра.

Для преобразователей пирометров с диапазоном измерения температуры от 400 до 1500°С применяют линзы из стекла марки а с диапазоном измерения от 900 до 3500°С используют линзы из стекла марки

В качестве вторичных показывающих, самопишущих и регулирующих приборов, работающих в комплекте с первичными преобразователями пирометров, используются милливольтметры и автоматические потенциометры типа КСП3, КСП4 и др., имеющие соответствующую градуировку. Устройство этих приборов в принципиальной своей части аналогично устройству рассмотренных выше приборов. Вторичные приборы обычно снабжают шкалой, позволяющей отсчитывать непосредственно радиационную температуру, выраженную в градусах Цельсия.

Предел допустимой основной погрешности пирометров полного излучения (радиационных пирометров) в области

температур от 500 до 2500°С находится в интервале

Для ознакомления с действием и устройством пирометра полного излучения рассмотрим упрощенную схему этого прибора (рис. 7-6-1).

Рис. 7-6-1. Схема устройства пирометра полного излучения.

Пирометр состоит из первичного преобразователя (телескопа) с рефракторной оптической системой и измерительного прибора ИП (милливольтметра или автоматического потенциометра). Изображение объекта, температура которого измеряется, создается в телескопе с помощью линзы объектива 1 в плоскости, лежащей за диафрагмой 2. В этой плоскости расположена термобатарея 3, являющаяся приемником лучистой энергии, а вместе с тем и преобразователем ее в термо-э. д. с. Лучи, выходящие из различных точек поверхности объекта и попадающие в линзу объектива, концентрируются на рабочей поверхности термобатареи, ограниченной отверстием диафрагмы 2. Термо-э. д. с. термобатареи, устанавливающаяся в результате воздействия на нее потока лучистой энергии и теплообмена с окружающими деталями, измеряется прибором ИП.

Рис. 7-6-2. Термобатареи преобразователя пирометра полного излучения.

Рис. 7-6-3. Способы температурной компенсации, применяемые в преобразователях пирометров полного излучения.

Примеры конструктивного выполнения открытых термобатарей представлены на рис. 7-6-2. Рабочие концы термоэлектрических преобразователей 1 у этих термобатарей расположены по кругу в центре слюдяного кольца 3, а свободные их концы закреплены с помощью тонких металлических пластин 2 на том же слюдяном кольце (рис. 7-6-2, а) или непосредственно с помощью слюдяных колец 3 (рис. 7-6-2, б). Выводы 4 термобатарей соединяются с зажимами первичного преобразователя, Рабочая поверхность

термобатарей, на которую подается поток лучистой энергии, зачернена платиновой чернью.

Свободные концы термоэлектрических преобразователей термобатареи находятся обычно в тепловом контакте с корпусом первичного преобразователя (телескопа), градуировка и поверка которого производятся при температуре При отклонениях температуры корпуса телескопа от градуировочной температуры показания пирометра будут неправильными. Возникающие при этом дополнительные погрешности могут достигать больших значений. Для снижения этого вида погрешностей измерения первичные преобразователи пирометров снабжаются различными устройствами температурной компенсации.

На рис. 7-6-3, а приведена схема, иллюстрирующая распространенный способ температурной компенсации с помощью электрического шунта изготовляемого из меди или никеля. Резистор шунтирующий термобатарею с сопротивлением помещают в корпусе первичного преобразователя рядом со свободными концами термоэлектрических преобразователей термобатареи. В зависимости от значения термо-э. д. с. Е термобатареи ток протекающий ее цепи, создает на резисторе падение напряжения

которое измеряется с помощью прибора При возрастании температуры корпуса преобразователя пирометра и соответствующем увеличении сопротивления резистора как видно из выражения (7-6-1), падение напряжения повышается и благодаря этому создается возможность (при правильно выбранном начальном значении значительно скомпенсировать уменьшение термо-э. д. с. термобатареи, а тем самым снизить дополнительные погрешности измерения при нагревании телескопа в рабочем интервале от О до

Рассмотренный способ температурной компенсации с помощью медного резистора применяют в отечественном первичном преобразователе пирометра полного излучения (радиационного пирометра) типа РАПИР и в ряде пирометров, выпускаемых зарубежными фирмами.

Рассмотрим другой распространенный способ температурной компенсации с помощью биметаллического компенсатора, устройство которого схематично показано на рис. 7-6-3, б.. В пазах корпуса компенсатора 1 первичного преобразователя расположены четыре биметаллические пластины 2, прикрепленные одним концом к его корпусу. К свободным концам биметаллических пластин приварены тонкие профилированные заслонки 3, частично перекрывающие площадь отверстия диафрагмы 4 перед термобатареей. При повышении температуры корпуса первичного преобразователя биметаллические пластины деформируются и постепенно выводят заслонки из отверстия диафрагмы, вследствие чего увеличивается поток

лучистой энергии, попадающей на рабочую поверхность термобатареи. Это позволяет компенсировать уменьшение термо-э. д. с. термобатареи, обусловленное нагреванием корпуса первичного преобразователя, а вместе с тем и свободных концов термоэлектрических преобразователей термобатареи. Такой способ температурной компенсации применен в первичном преобразователе пирометра типа ПРК-600.

Дополнительная погрешность первичного преобразователя пирометров полного излучения вызвана отклонением температуры его корпуса от градуировочной не превышает приведенных ниже значений (ГОСТ 6923-74).

Эти данные говорят о том, что первичные преобразователи пирометров даже при наличии температурной компенсации характеризуются значительными допускаемыми дополнительными погрешностями, а применяемые в первичных преобразователях пирометров способы температурной компенсации требуют дальнейшего усовершенствования. В промышленных условиях для снижения изменений показаний, вызываемых нагревом корпуса первичного преобразователя, последний помещается в защитный кожух, охлаждаемый проточной водой.

При измерении температуры пирометром полного излучения наводка первичного преобразователя производится при помощи визирного устройства 4 (рис. 7-6-1). В целях защиты глаза при наводке на излучатель, имеющий высокую температуру, перед линзой устанавливают цветное защитное стекло 5. При наводке первичного преобразователя пирометра необходимо добиться такого положения, чтобы видимое через окуляр изображение объекта полностью перекрывало отверстие диафрагмы перед термобатареей. При правильной фокусировке преобразователя пирометра рабочая поверхность термобатареи находится в центре видимого изображения.

Минимальный размер излучателя, при котором изображение его полностью перекрывает отверстие диафрагмы перед термобатареей, определяется углом визирования объектов пирометрических преобразователей. Угол визирования объектов пирометрических преобразователей характеризуется значением показателя визирования, т. е. отношением диаметра круга вписанного в проекцию контура излучателя на плоскость, перпендикулярную оптической оси преобразователя, к расстоянию от излучателя до объектива преобразователя при котором изображение излучателя полностью перекрывает отверстие диафрагмы перед термобатареей.

Так как значение показателя визирования зависит от расстояния между излучателем и объективом, первичные пирометрические преобразователи принято характеризовать номинальным показателем визирования, который определяется на расстоянии

Пирометрические преобразователи в зависимости от значения номинального показателя визирования подразделяются: на широкоугольные — показатель визирования более на узкоугольные — показатель визирования и менее.

При применении различных типов первичных преобразователей пирометров полного излучения необходимо иметь в виду, что они являются в той или иной степени селективными приемниками излучения. Вследствие этого пирометры различных типов, дающие одинаковые показания при наведении на черное тело, будут давать различные показания при измерении температуры селективного излучателя.

Первичные пирометрические преобразователи типа ТЕРА-50.

Рис. 7-6-4. Первичные преобразователи пирометра типа а — узкоугольный преобразователь типа ТЕРА-50; б - оптическая система широкоугольного преобразователя типа

Преобразователи (телескопы) пирометров полного излучения (радиационных пирометров) типа РАПИР позволяют измерять температуру поверхности нагретых тел от 400 до Первичные преобразователи ТЕРА-50 снабжены объективами с номинальным показателем визирования 1/20 или Таким образом, при расстоянии излучателя от объектива узкоугольный телескоп воспринимает излучение с поверхности нагретого тела диаметром а широкоугольный

Устройство узкоугольного пирометрического преобразователя ТЕРА-50 показано на рис. 7-6-4, а. Здесь 1 — корпус телескопа; 2 — линза объектива, вмонтированная в оправу; 3 — термобатарея; 4 — компенсационный медный резистор, шунтирующий термобатарею (см. рис. 7-6-3, а); 5 — корпус термобатареи, состоящий из основания с укрепленной на нем термобатареей, и фланца с резьбовым отростком; -подвижная диафрагма; 7 — неподвижная диафрагма; 8 — линза визирного устройства; 9 — защитное стекло; 10— крышка; 11 — контактный винт; 12 — штуцер для вывода проводов; 13 — фланец для крепления телескопа к защитной арматуре.

В целях получения стандартной градуировочной характеристики пирометрических преобразователей на заводе-изготовителе производят подгонку напряжения на его зажимах, перемещая диафрагму 6 вдоль резьбового отростка фланца. Для этой цели на наружной поверхности подвижной диафрагмы сделан зубчатый венец, зубья которого постоянно сцеплены с зубьями трибки 14. При помощи трибки производится перемещение диафрагмы вдоль резьбового отростка фланца. Вращение трибки при градуировке производится вручную отверткой со стороны основания корпуса термобатареи, куда выведена ось трибки со шлицем. После градуировки шлиц пломбируется.

Широкоугольный первичный пирометрический преобразователь типа ТЕРА-50 отличается от рассмотренного узкоугольного преобразователя только тем, что в нем применяется в качестве объектива двояковыпуклая лйнза 2 с фокусным расстоянием меньшим, чем в узкоугольном (рис. 7-6-4, а). Остальные узлы широкоугольного преобразователя такие же, как и в узкоугольном.

Пирометрические преобразователи ТЕРА-50 могут работать в комплекте с милливольтметрами (одним или двумя) или с милливольтметром и одним автоматическим потенциометром, а также с одним или двумя автоматическими потенциометрами.

В последнем случае для обеспечения единства градуировки и взаимозаменяемости пирометрических преобразователей необходимо учитывать, что милливольтметры работают с потреблением мощности, Поэтому градуировка этих преобразователей производится при максимальной расчетной внешней его нагрузке, т. е. при включении телескопа через линии проводов, имеющие предельно допускаемые расчетные значения сопротивления, одновременно на два милливольтметра, подключенных параллельно. При таком включении милливольтметров будет иметь место наибольшее расчетное допускаемое снижение градуировочной характеристики по сравнению с градуировочной характеристикой ненагруженного пирометрического преобразователя.

При установке пирометра РАПИР доведение внешней нагрузки первичного преобразователя до заданного значения независимо от реального, сопротивления линии того или иного сочетания вторичных приборов осуществляется с помощью панели ПУЭС-64 с уравнительными и эквивалентными манганиновыми резисторами. Эту панель, входящую в комплект пирометра, обычно называют панелью взаимозаменяемости.

Известно, что при измерении пирометрами полного излучения температур реальных тел показания их оказываются заниженными на значение тем большее, чем выше измеряемая температура и чем ниже коэффициент излучения Методическая погрешность пирометра, возникающая вследствие этих причин, может быть скорректирована для конкретных условий, если имеется возможность с достаточной точностью определить значение

коэффициента излучения или измерить действительную температуру объекта каким-либо другим прибором, например термоэлектрическим термометром. Для целей корректировки милливольтметры и автоматические потенциометры (рис. 4-18-1, а), предназначенные для работы с преобразователями пирометров, снабжаются корректирующими резисторами.

При корректировании показаний пирометра рассматриваемым способом необходимо учитывать, что между напряжением на зажимах телескопа и радиационной температурой объекта не имеется линейной зависимости. Поэтому переход от отсчитанного по шкале прибора значения радиационной температуры объекта к его действительной температуре для всех точек шкалы не может быть осуществлен прямым изменением сопротивления корректирующего резистора. Этот способ позволяет корректировать показания пирометра только в какой-либо одной точке шкалы прибора и может быть, следовательно, использован только при измерении стационарных температур объектов. Если при измерении меняющихся температур корректирование выполнено по одной точке шкалы, то по мере отклонения показаний прибора от этой точки возникает все увеличивающаяся погрешность определения действительных температур.

В автоматических потенциометрах корректирующий резистор включен в его измерительную схему (рис. 4-18-1, а). Резистор ручка которого вынесена на лицевую панель потенциометра, позволяет изменять приведенное сопротивление реохорда измерительной схемы, а следовательно, чувствительность и в конечном счете диапазон измерения прибора.

Основные методические указания по применению пирометров полного излучения. При измерении температуры с помощью пирометра полного излучения могут возникать методические погрешности вследствие ряда причин. Наиболее существенной методической погрешностью является погрешность, возникающая при переходе от радиационной к действительной температуре тела, которая осуществляется с помощью формулы (7-2-19). Надежность определения по этой формуле действительной температуры тела по его радиационной температуре зависит от погрешности значения коэффициента излучения Подбор этого значения по имеющимся в литературе таблицам может быть произведен с погрешностью не менее ±10—20%, а в некоторых случаях она может быть значительно больше Наличие такой погрешности объясняется тем, что значение зависит от химического состава тела, температуры и состояния поверхности излучателя. На значение металлической поверхности сильно влияет степень ее окисленности. Коэффициент излучения окисленной поверхности всегда выше, чем неокисленной. Например, для неокисленного никеля при 1200 С а при той же температуре для окисленного никеля Следует также указать, что шероховатые поверхности обладают большим значением чем гладкие.

Погрешность в подборе значения вызывает методическую погрешность в определении действительной температуры реального тела по его радиационной температуре, полеченной в результате измерения. Эта погрешность может быть вычислена по формуле, полученной логарифмированием и последующим дифференцированием уравнения (7-2-19):

Рассмотрим примеры, характеризующие погрешность, вызванную неточностью определения Полагая , получим , а при той же температуре и значение погрешности в определении действительной температуры возрастает до . При погрешность , а при той же температуре и .

Такого вида методическая погрешность может быть значительной особенно при визировании первичного преобразователя пирометра на открытую поверхность тела, например при измерении температуры металла во время прокатки, ковки и т. п.

Если преобразователь пирометра визируется на внутреннюю поверхность огнеупорной кладки печи через отверстие в ее стенке или через специальную фурму, установленную для этой цели в стенке или своде печи, и внутренние поверхности кладки печи имеют практически одинаковую температуру, то закрытое печное пространство по свойствам излучения близко к полости черного тела. В этом случае показания пирометра в пределах погрешностей измерений совпадают с показаниями термоэлектрического термометра, введенного в печное пространство, или с показаниями оптического пирометра, наведенного на ту же поверхность.

Такие же условия будут иметь место при измерении действительной температуры внутри печи, если первичный преобразователь визируется на дно огнеупорной трубки (карборундовой, стальной или из другого материала), введенной через стенку внутрь печи на достаточную глубину. Требования к глубине погружения огнеупорной трубки, а следовательно, и к ее геометрическим размерам, те же, что и для полости, показанной на рис. 7-3-6.

Методические погрешности, при измерении температур объектов пирометром полного излучения могут возникать также вследствие влияния водяных паров и углекислоты в слое воздуха, находящегося между объектом и преобразователем. Это влияние обусловливается поглощением водяными парами и углекислым газом лучистой энергии в некоторых участках инфракрасной области спектра. Следует отметить, что показания пирометра очень чувствительны к запыленности и задымленности воздуха, находящегося между пирометрическим преобразователем и объектом. В этом случае также может иметь место методическая погрешность, обусловленная ослаблением всех длин волн спектра пучка лучей, идущих от объекта к

преобразователю вследствие рассеяния его на крупных частицах копоти, пыли), взвешенных в слое воздуха между преобразователем и объектом.

При измерении температуры кладки печи и в других подобных случаях для удаления дыма, копоти и пыли из пространства визирной трубы или фурмы перед пирометрическим преобразователем производят отдувку сжатым воздухом. В некоторых случаях во внутреннюю полость визирной арматуры подают сжатый воздух низкого давления или инертный газ для создания противодавления, препятствующего проникновению дыма, пыли и копоти через визирную трубу или фурму из рабочего объема печи. В том и другом случае воздух должен быть очищен от пыли, масла и влаги соответствующими фильтрами.

Другая причина дополнительных погрешностей, на которую необходимо обратить внимание, связана с нагревом корпуса преобразователя вследствие теплообмена с окружающим его воздухом и телами и за счет поглощения излучения источника, температура которого измеряется. Чтобы избежать этих погрешностей, применяют специальную защитную арматуру с водяным охлаждением.

Устройство защитной арматуры первичного преобразователя пирометра, разработанной с расчетом обеспечить возможность применения его в различных условиях эксплуатации, защищая преобразователь от пыли, дыма, действия высоких температур окружающего воздуха, бросков пламени из печи и т. д., описывается в монтажно-эксплуатационных инструкциях на пирометры.

При измерении температуры пирометрами полного излучения необходимо иметь в виду, что тепловой баланс между термобатареей, окружающими ее деталями преобразователя и объектом излучения устанавливается не мгновенно. Вследствие этого показания пирометра достигают максимального значения только через какой-то промежуток времени. Для первичных преобразователей пирометров различных типов согласно проведенным исследованиям [40] время установления показаний без учета инерционности вторичного прибора колеблется от 0,53 до 27,6 с в интервале температур визируемого тела от 1000 до 1700°С.