Фотоэлектрический метод измерения температур.

К классу приборов, измеряющих яркостную температуру, относятся также фотоэлектрические пирометры. Они позволяют без участия человека, в автоматическом режиме измерять и записывать яркостную температуру неподвижных или движущихся тел, нагретых до видимого свечения, например в научных исследованиях, при высокочастотном нагреве, при прокатке, при нагреве в печах и т. п.

Фотоэлектрические методы позволили превзойти точность, достигнутую в визуальной оптической пирометрии, которая ограничена контрастной чувствительностью человеческого глаза.

В этих 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 используемого рабочего спектрального интервала они могут быть разделены на две группы. В первой группе используется красный светофильтр с областью пропускания от 0,6 до 0,72 мкм, благодаря чему у пирометров этого типа и у визуальных оптических пирометров эффективные длины волн практически совпадают. Градуировка и поверка фотоэлектрических пирометров данной группы производится с помощью температурных ламп, снабженных стеклом ПС-5 и градуированных на яркостные температуры в свете длины волны 0,65 мкм.

К этой группе относится отечественный прибор ФЭП-4 с нижним пределом измерения 800°С, из выпускаемых за границей приборов такого типа можно назвать, например, пирометры «Оптиматик» (США).

Вторая группа приборов характеризуется использованием широких спектральных областей излучения. Эффективные длины волн у таких фотоэлектрических пирометров значительно различаются, и яркостные температуры, измеренные приборами с различающимися эффективными длинами волн, характеризуются несравнимыми значениями. Эти фотоэлектрические пирометры невозможно тарировать и поверять с помощью температурных ламп, градуированных в свете какой-либо определенной длины волны, их градуировку проводят только по модели черного тела.

Поскольку в настоящее время данные о значениях коэффициентов черноты для большинства физических тел в широком диапазоне длин волн отсутствуют, а имеющихся монохроматических значений, в частности, для λ = 0,65 мкм, далеко не достаточно, переход от яркостной температуры к действительной представляет большие трудности. Поэтому фотоэлектрические пирометры второй группы применяются главным образом в тех случаях, когда по условию технологического процесса контроль температуры тел не требует знания действительной температуры. Некоторые приборы этой группы снабжаются графиком поправок, позволяющим осуществлять переход от показаний этих приборов к действительной температуре тела, либо в процессе работы накапливаются данные о поправках.

Ко второй группе относятся приборы ФЭП с нижним пределом измерения 500°С, а существующие датчики позволяют снизить этот предел до -30°С. В качестве примера рассмотрим применяемые пирометры ФЭП-4. В приборах этого типа с диапазоном измерения яркостной температуры от 800 до 4000°С используется вакуумный сурьмяно-цезиевый фотоэлемент типа СЦВ-51, чувствительный к излучению только видимой области спектра. На рис. 2.7 представлены кривые спектральной чувствительности сурьмяно-цезиевого фотоэлемента 1 и пропускания красного светофильтра 2.

Р и с. 2.7. Кривые спектральной чувствительности сурьмяно-цезиевого фотоэлемента СЦВ-51 (1) и пропускания красного светофильтра (2).

Из рис. 2.7 видно, что фотоэлемент СЦВ-51 в сочетании с красным светофильтром КС-15 оставляет излучение с длиной волны от 0,60 до 0,72 мкм, при этом эффективная длина волны пирометра в диапазоне измеряемых температур остается практически постоянной (0,65±0,01 мкм) и 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 с меньшим нижним пределом применяется кислородно-цезиевый фотоэлемент ЦВ-3, чувствительный к излучению в области длин волн от 0,4 до 1,2 мкм. Эффективная длина волны этих пирометров составляет 0,9-1,1 мкм. Температура, показываемая пирометром этого типа, несколько отличается от яркостной температуры, измеренной оптическим пирометром.

Фотоэлектрический пирометр ФЭП-4 (рис. 2.8) 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, расположенная 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, а следовательно, и от яркостной температуры его.

 

Р и с. 2.8. Схема устройства фотоэлектрического пирометра типа ФЭП-4

 

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 б и подается на сетки ламп его выходного каскада – усилителя постоянного тока. В общую цепь катодов ламп этого выходного каскада включена последовательно лампа обратной связи. В цепи лампы ток накала будет меняться до тех пор, пока на катоде фотоэлемента не уравняются световые потоки от источника излучения и лампы. Следует отметить, что световой поток от лампы обратной связи несколько отличается от потока визируемого объекта, однако 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 R, 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 двушкальных пирометров с диапазоном измерения 1200-2000°С предел допустимой основной погрешности составляет ±20°С, а для второй шкалы с верхним пределом измерения выше 2000° С не превышает l,5% верхнего предела измерения. Время установления показаний пирометра – около 1 с. Порог чувствительности пирометра составляет 0,1% верхнего предела измерения прибора.