Оптические пирометры. Устройство. Принцип действия.

Оптическим пирометром называют прибор, предназначенный для измерения яркостных температур светящихся тел в одном узком интервале длин волн видимого спектра – определении интенсивности красного монохроматического излучения. Прибор ручного действия, чувствительным элементом при этом служит глаз наблюдателя. Поэтому прибор пригоден только для периодических, временных наблюдений, например, при наладке топочного процесса. Наиболее распространен оптический пирометр с «исчезающей» нитью. Его принципиальная схема представлена на рис. 2.2. Изображение объекта с помощью объектива 2 проектируется в плоскости нити пирометрической лампы (эталонной). Наблюдатель, рассматривая с помощью окулярной линзы 6 изображение нити, видит его на фоне изображения нагретого тела.

Между пирометрической лампой и объективом по мере надобности вводят поглощающее стекло, а между лампочкой и глазом наблюдателя – светофильтр. Изменяя силу тока накала пирометрической лампы, добиваются совпадения её яркости с яркостью нагретого изделия. Тогда глаз наблюдателя перестанет различать нить на фоне изображения объекта и она, как говорится, «исчезнет».

Упрощенная схема оптического пирометра (типа ОППИР) показана на рис. 2.3, а. Прибор состоит из оптической системы и миллиамперметра 1 со шкалой, градуированной в °С на разные пределы измерения яркостной температуры. Телескоп имеет объектив 2 и окуляр 5, с помощью которых он наводится на объект измерения. Между объективом и пирометрической лампой размещается серый светофильтр 3, а между лампой и окуляром – красный 6.

Нить накала лампы видна в поле, наблюдаемом в телескоп. Лампа питается током от аккумуляторной батареи Б. Ток накала нити регулируется реостатом R и измеряется показывающим прибором

 

Р и с. 2.2. Оптическая система яркостного визуального пирометра:
1 – визируемый объект; 2 – объектив пирометра; 3 – входная диафрагма; 4 – поглощающее стекло;
5 – нить пирометрической лампы; 6 – линза окуляра; 7 – красный светофильтр; 8 – выходная диафрагма

Для измерения температуры тела телескоп пирометра наводится на его излучающую поверхность при введенном реостате. Нить лампы при этом имеет небольшой накал и наблюдается в виде черной линии (дуги) на светлом фоне, как это показано на рис. 2.3, б.

Р и с. 2.3. Упрощенная схема оптического пирометра ОППИР: а – схема пирометра; б, в, г, – вид нити, наблюдаемой в телескоп

По мере уменьшения сопротивления реостата ток увеличивается, пирометрическая лампа разогревается и в момент совпадения яркостей нити и объекта наблюдения накаленная часть нити «исчезает» на фоне нагретого предмета (рис. 2.3, в). В этот момент стрелка прибора устанавливается на делении шкалы, соответствующем измеряемой яркостной температуре. При дальнейшем увеличении накала лампы нить будет иметь вид светлой линии на темном фоне (рис. 2.3, г).

Зная зависимость для данного прибора яркостной температуры нити лампы от силы тока накала и измерив величину тока в момент исчезновения нити, определяют яркостную температуру объекта.

Определение яркостных температур с помощью спектральных формул Планка или Вина требует измерение яркостей тел на возможно более узком участке спектра. Существуют установки, снабженные сложной спектральной аппаратурой, позволяющие измерять яркости тел в очень узких спектральных интервалах. Применимость таких установок пока ограничивается только лабораторными условиями. Поэтому в оптических пирометрах широкого применения для монохроматизации света используют стеклянные светофильтры. Наиболее широко используется красное стекло КС-15 толщиной 2 мм.

На рис. 2.4 представлены:

– график пропускания такого стекла для различных длин волн (фактически пропускается только область с длиной волны λ>0,62 мкм);

– кривая относительной чувтвительности человеческого глаза (наибольшая эффективность зрения в центре, для λ= 0,5-0,6 мкм).

 

Р и с. 2.4. Кривые спектральной чувствительности человеческого глаза (1) и пропускания красного светофильтра (2)

При визировании через красное стекло человеческий глаз воспринимает яркость объекта в сравнительно нешироком участке спектра (площадь abc).

Использование в оптических приборах красной области спектра позволяет понизить температурную границу применимости пирометра с исчезающей нитью. Красное стекло для облегчения наводки и фокусирования при малой яркости объекта может быть выведено из поля зрения, но при осуществлении уравнивания яркостей фильтр обязательно должен быть включен в оптическую схему прибора.

Изменение температуры самого красного светофильтра приводит к смещению границы его пропускания, что вызывает отклонение эффективной длины волны, на которой проводится измерение, и, соответственно, к появлению дополнительной погрешности.

Р и с. 2.5. Оптический прецизионный пирометр	Р и с. 2.6. Промышленный оптический пирометр

На рис. 2.5 показан отечественный прецизионный оптический пирометр с исчезающей нитью типа ЭОП, который применяют как для эталонных работ по воспроизведению шкалы температур, так и для измерений температур при различных научных исследованиях. Прибор отличается большой светосилой (1:3) и благодаря этому может быть использован для измерения яркостных температур в красной области спектра начиная уже от 800°С. На рис. 2.6 представлен переносной промышленный оптический пирометр типа ОППИР. В устройствах этого типа используется встроенный измерительный прибор (вольтметр).