Радиационные пирометры. Принцип действия.

Пирометры полного излучения (радиационные пирометры) применяются в качестве стационарных или переносных для эпизодических измерений. Действие таких приборов основано на зависимости от температуры полной энергетической яркости тела, описываемой формулой Стефана-Больц-
мана (10).

Комплект прибора состоит из первичного преобразователя (телескопа), одного или двух вторичных приборов и вспомогательных устройств.

Первичный преобразователь пирометра снабжен теплочувствительным элементом и оптической системой, концентрирующей лучистую энергию тела на этом датчике, степень нагрева которого 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 используют рефлекторную оптическую систему (вогнутое зеркало).

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.

В качестве вторичных показывающих, самопишущих и регулирующих приборов, работающих в комплекте с первичными преобразователями пирометров, используются милливольтметры, автоматические потенциометры или иные регистраторы, в том числе цифровые, имеющие соответствующую градуировку. Вторичные приборы обычно снабжают шкалой, позволяющей отсчитывать непосредственно радиационную температуру, выраженную в градусах Цельсия.

Пирометр состоит из первичного преобразователя (телескопа) с рефракторной оптической системой и измерительного прибора ИП. Изображение объекта, температура которого измеряется, создается в телескопе с помощью линзы объектива 1 в плоскости термобатареи 3, лежащей за диафрагмой 2. Чувствительный элемент 3 является приемником лучистой энергии (он нагревается), а вместе с тем и преобразователем ее в термоЭДС. Лучи от нагретого объекта, попадающие в линзу объектива, концентрируются на рабочей поверхности термобатареи, ограниченной отверстием диафрагмы 2. ЭДС термобатареи, температура которой устанавливается в результате воздействия на нее потока лучистой энергии от измеряемого тела и теплообмена с окружающими деталями, измеряется вторичным прибором ИП.

На рис. 2.11 приведена также схема измерительного элемента радиационного пирометра. При последовательном соединении термопар отдельные термоЭДС суммируются, и между крайними концами термобатареи снимается сигнал большой величины.

Р и с. 2.11. Схема устройства пирометра полного излучения и термоэлектрического датчика

Рабочие концы термоэлектрических преобразователей у термобатарей расположены по кругу в центре слюдяного кольца 3, а свободные закреплены с помощью тонких металлических пластин 2 на том же слюдяном кольце. 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 20±2°С. При отклонениях температуры корпуса телескопа от градуировочной показания пирометра будут неправильными. Возникающие при этом дополнительные погрешности могут достигать больших значений. Для снижения этого вида погрешностей первичные преобразователи пирометров снабжаются различными устройствами температурной компенсации.

Это может быть электрический шунт, изготовленный из меди или никеля, который включается параллельно термобатарее. В зависимости от значения э. д. с. термобатареи ток, протекающий в ее цепи, создает на резисторе падение напряжения, которое компенсирует погрешность.

Может применяться также стандартная для термопар мостовая компенсационная схема с медным сопротивлением.

Поскольку первичные преобразователи пирометров даже при наличии температурной компенсации характеризуются значительными дополнительными погрешностями, в промышленных условиях для снижения ошибки 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. 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 D, вписанного в проекцию контура излучателя на плоскость, перпендикулярную оптической оси преобразователя, к расстоянию от излучателя до объектива преобразователя L, 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 L = = 1000 мм. В зависимости от значения номинального показателя визирования D/L подразделяются на широкоугольные (более ¹/₁₆) и узкоугольные (показатель визирования ¹/₁₆ и менее).