Основными недостатками пирометрических измерений температуры являются

• трудности полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиацией.

• необходимо учитывать изменение излучательной способности поверхности к от длины волны X в регистрируемом спектральном диапазоне и от температуры Т в диапазоне измерений,

• наличие поглощения излучения в среде между пирометром и объектом контроля • геометрические параметры поля зрения пирометра и его оптической системы, температуру окружающей среды и корпуса прибора.

Рассмотрим основные факторы, влияющие на точность результатов измерений пирометром более подробно:

Как известно, пирометр вычисляет температуру объекта, измеряя поток теплового излучения с некоторой части его поверхности в рабочей области спектра (либо используя отношение потоков в двух и более областях спектра - в пирометрах спектрального отношения).

Благодаря своей простоте в работе, широкому диапазону измеряемых температур, малому времени отклика, отсутствию необходимости контактировать с объектом, своим функциональным возможностям бесконтактные средства измерения температуры находят широкое применение не только там, где это единственно возможное средство измерения, но и постепенно начинают вытеснять контактные датчики температуры.

Принцип действия пирометра - прибора, предназначенного для бесконтактного измерения температуры различных объектов на расстоянии, состоит в следующем: инфракрасное излучение энергии поверхности объекта измерения фокусируется на датчик прибора и преобразуется в электрический сигнал, после чего эта информация отображается в цифровом виде на индикаторной панели. Излучательная способность большинства объектов обеспечивает погрешность измерения, как правило, не превышающую 1 % от измеряемой величины. В современных пирометрах

предусмотрена автоматическая компенсация температуры окружающей среды.

В основе работы пирометра лежит принцип преобразования потока инфракрасного излучения от объекта, принимаемого чувствительным элементом, в электрический сигнал, пропорциональный спектральной плотности мощности потока излучения. Рис.1.3.

Рис.1..3. Структурная схема пирометра

Составные части: О - оптическая система; М - модулятор;ПИ - приемник излучения; УО - узел обработки сигнала;УИ - узлы индикации; ИП - источник питания.

Поток инфракрасного излучения, испускаемый объектом, попадает в оптическую систему ОС, где диафрагмируется и фокусируется на приемник излучения ПИ, находящийся в фокусе оптической системы. Модулятор М преобразует поток излучения, попадающий на приемник излучения ПИ, из постоянного в переменный. Приемник излучения ПИ преобразует мощность падающего на него потока ИК излучения в электрическое напряжение пропорциональное спектральной плотности мощности потока излучения.

Узел обработки УО преобразует сигнал с приемника излучения ПИ, в соответствии с номинальной статической характеристикой преобразования, в вид, удобный для индикации. Узел индикации УИ отображает поступающий на них сигнал (с УО) на знакосинтезирующем жидкокристаллическом (ЖКИ) и светодиодном индикаторах в виде цифрового значения температуры.Источник питания ИП обеспечивает все узлы прибора напряжениями, необходимыми для их работы.Конструктивно пирометр выполнен в оригинальном пластмассовом корпусе, в котором располагаются все узлы прибора. Для измерения температуры необходимо:

- ввести значение поправочного коэффициента излучательной способности измеряемого объекта Е (С-500.1, С-500.2, С-500.3, С-500.4, - 0,01... 1,0; С-500.5, С500.6, С-500.7, С-500.8 - 0,01... 2,50);

- направить прибор на объект и нажать кнопку «Измерение»;

- считать с ЖКИ значение, соответствующее температуре измеряемого объекта.

Поправочный коэффициент излучательной способности объекта Е задается в пределах от 0.01 до 2,5 и зависит от размера и материала объекта, характера поверхности, наличия внешней засветки.Коэффициент Е определяется для каждого объекта отдельно по следующей методике:

1) определить с помощью контактного датчика температуру поверхности объекта, при этом температура поверхности должна превышать температуру окружающей среды минимум на 50 °С;

2) выбрать, зафиксировать и соблюдать при проведении дальнейших измерений положение пирометра (расстояние до объекта измерений, угол установки пирометра, характер поверхности объекта, например, наличие шлака на поверхности расплавов), экранировать внешнюю засветку;

3) изменением коэффициента Е добиться совпадения показаний пирометра и температуры, измеренной с помощью контактного датчика: при проведении дальнейших измерений соблюдать выбранные условия проведения измерений и полученное значение поправочного коэффициента Е.

Тепловыми приемниками излучения называют детекторы, в которых под действием облучения светом происходит нагрев, вызывающий возникновение в них вторичных процессов (изменение сопротивления, возникновение термических напряжений). Тепловые приемники излучения применяются чаще всего для ИКобласти, так как для видимого и УФ-диапазонов спектра имеются более чувствительные датчики. Существенным достоинством тепловых приемников излучения является независимость их чувствительности от спектрального состава излучения, т. е. их чувствительность остается почти постоянной от УФ- до ИКдиапазона.

Болометр (От греч. bole - луч и греч. metron - мера.) - прибор для измерения энергии излучения. Был изобретён Самуэлем Пирпонтом Лэнгли в 1878 году. Основной компонент болометра - очень тонкая пластинка (например, из платины или другого проводящего материала), зачернённая для лучшего поглощения излучения. Из-за своей малой толще пластинка под действием излучения быстро нагревается и её сопротивление повышается. Для измерения малых отклонений сопротивления пластинки её включают в мостовую схему, которую балансируют в отсутствие засветки.

Болометрический датчик принадлежит к группе параметрических датчиков, поскольку при нагревании его оптическим излучением изменяемой выходной величиной служит электрическое сопротивление. Металлические болометры из платины или никеля все чаще заменяются термисторами, основу которых составляют оксиды никеля, магния, кобальта, имеющие более низкую теплоемкость и более высокий температурный коэффициент сопротивления, что обеспечивает датчику большую чувствительность. Например, при комнатной

температуре у металлов этот коэффициент равен -0,005/ °С, а у термисторов -0,06/ °С, те. на порядок выше. Как видно, термисторы являются полупроводниками, и их температурный коэффициент сопротивления отрицателен. Все чаще болометры изготавливаются из Ge, Su, AsSe3.

Криогенные температуры способствуют улучшению ряда характеристик и параметров болометров: увеличивается температурный коэффициент сопротивления, уменьшается теплоемкость, подавляются источники зависящих от температуры шумов. Более того, сверхнизкие температуры существенно увеличивают сопротивление полупроводниковых болометров, что облегчает условия их согласования с электронными схемами.

Возможность работы болометрических датчиков при криогенных температурах позволила создать сверхпроводящие болометры.

Они работают при температурах перехода полупроводников, когда при изменении температуры их сопротивление меняется скачкообразно и благодаря этому существенно увеличивается чувствительность и снижается ее порог.

Однако серьезным недостатком сверхпроводящих болометров является необходимость строгого контроля и стабилизации их рабочей температуры во избежание нежелательных отклонений сопротивления от номинала.

В последние годы разработаны высокотемпературные сверхпроводящие материалы для болометров, в частности бариево-медный оксид иттрия.

Измерительная схема обычно представляет собой одинарный (четырехплечий) мост (мост Уинстона). Здесь также падающий лучистый поток преобразуется поглотителем в тепло, воздействующее на включенный в плечо моста резистор. В современных болометрических датчиках в противоположные плечи моста включаются по одному идентичному поглощающему резистору, но один из них экранируется от измеряемого лучистого потока, чем достигается независимость в определенных пределах выходной величины болометра от изменений температуры.

Болометр чувствителен ко всему спектру излучения. Но применяющего в основном в астрономии для регистрации излучения с субмиллиметровой длиной волны (промежуточное между СВЧ и инфракрасным): для этого диапазона болометр - самый чувствительный датчик. Источником теплового излучения может быть свет звезд или Солнца, прошедший через спектрометр разложенный на тысячи спектральных линий энергия в каждой из которых очень мала. На рис.1.4 приведены характеристики спектральной чувствительности различных датчиков ИК-излучения.

.

Рис.1.4 Характеристики спектральной чувствительности различных датчиков ИК- излучеиия

В качестве приемников излучения очень часто используются пироэлектрические детекторы. Пироэлектрический эффект возникает в результате смещения зарядов в некоторых кристаллах при их нагреве (рис. 1.5)

\

Рис.1.5. Пироэлектрический эффект

На рис.1.6 показаны возбуждение и ответный сигнал пироэлектрического детектора

Рис.1.6 Возбуждение и ответный сигнал пироэлектрического детектора

Эквивалентную схему пироэлектрического детектора можно представить в виде параллельного (при измерении тока) или последовательного (при измерении напряжения) соединения конденсатора и генератора (источника тока или напряжения), как показано на рис. 1.7.

Рис..7.

Чувствительность, как по току, так и по напряжению зависит от частоты падающего излучения (рис. 2.8).

Рис.2.8 Частотная характеристика пироэлектрического детектора с различными схемами усиления.

Основным параметром пирометров, помимо диапазона измеряемых температур, является показатель визирования (ПВ), представляющий собой отношение расстояния между пирометром и объектом к диаметру пятна визирования (к тому, что «видит» прибор).Рис.2.9. По мере удаления от прибора диаметр пятна увеличивается, причем увеличение происходит резче, чем уменьшение пятна до «точки перетяжки» (воображаемый конус расширяется быстрее).

Рис.2.9.

Таким образом, пирометром с более высоким ПВ возможно измерение температуры объекта меньшего по своим геометрическим размерам. У современных пирометров величина ПВ может достигать значения 500 и выше.

Поле зрения - измеряемый диаметр объекта, с поверхности которого ИКтермометр (пирометр) принимает энергию инфракрасного излучения.

На практике для выбора прибора часто используется следующая формула:

Измеряемый диаметр объекта = ПВ х расстояние до объекта.

Точность измерения не зависит от расстояния до тех пор, пока размер объекта больше измеряемого диаметра. Если размер объекта меньше поля зрения, то индицируемая пирометром температура не будет достоверной, так как объект, температура которого должна быть измерена, не заполняет все поле зрения пирометра, и прибор принимает излучение от других объектов окружающей среды.

чем измеряемая, то окружающая среда может считаться «холодной».

Применение бесконтактных средств измерений позволяет производить измерения температуры движущихся объектов; объектов, расположенных в труднодоступных местах; избегать повреждений средств измерений при контроле высоких температур. Высокое быстродействие, возможность измерения температуры без отключения объекта от техпроцесса, обеспечение безопасности персонала, измерение температуры до 3000 ОС - основные преимущества пирометров и тепловизоров.

Список используемой литературы

1. Костюковский, С. Бесконтактные измерители температуры / С. Костюковский, И. Грачев, В. Виноградов // Мир измерений. - 2008. - № 10.

2. Измерение температура [Электронный ресурс]. - Режим доступа. http://kipia.ru

Поиск по сайту: