Устройство и работа пирометра с исчезающей нитью
В данной работе необходимо измерить температуру раскаленной пластинки. Эта температура измеряется оптическим пирометром. Определение температуры сводится к сравнению цвета и интенсивности излучения раскаленной пластинки с цветом и интенсивностью проградуированного эталона – нити лампочки. Оптическая и электрическая схема пирометра изображена на рис. 1.
С помощью линзы l1 (рис.1 (2)) получаем изображение поверхности, температуру которой необходимо измерить, в плоскости нити лампочки.
Линза l2 (рис. 1(5)) служит для увеличения полученного изображения и устанавливается по глазу наблюдателя. При пользовании пирометром сравнение яркости происходит в ограниченной области спектра. Для получения монохроматического луча в трубке окуляра помещены светофильтры. При измерении температур в интервале 800 – 1200 0 С пользуются красным светофильтром (λ=6600 Ǻ), в интервале температур 1400 – 2000 0 С вводят поглощающие стекла с помощью винта (рис. 1 (3)).
1-накаленная пластинка, 2-объектив (l1), 3- поглощающее стекло, 4- пирометрическая лампа, 5- окуляр (l2), 6- красный светофильтр, 7- диафрагма, 8- показывающий прибор, 9- аккумулятор, 10- реостат.
Гальванометр проградуирован в градусах Цельсия. При пользовании светофильтром f1 температуру определяют по нижней шкале. Шкала прибора градуирована по излучению абсолютно черного тела. Если излучаемое тело не является абсолютно черным, то пирометр показывает температуру такого черного тела, яркость которого одинакова с яркостью данного тела. Величина T называется яркостной температурой данного тела. Если a (формула 1а) близко к 1, то яркостная и истинная температура тела практически совпадают.
С помощью реостата изменяют силу тока, протекающего через лампочку (источником тока служит аккумулятор, ЭДС которого 2 – 2,4 В), и добиваются того, чтобы верхняя часть нити лампочки исчезла на фоне исследуемого объекта. После этого по показанию гальванометра определяют температуру.
Примечание. Во избежание перекала нити, стрела прибора никогда не должна уходить вправо за деление 1400 0 С, а поэтому необходимо весьма осторожно вводить сопротивление реостата поворотом накатного кольца по часовой стрелке. Следует помнить, что поворот кольца реостата по часовой стрелке увеличивает накал нити, а против часовой – уменьшает его.
Описание установки и измерения
Установка состоит из понижающего трансформатора, закрытого деревянным корпусом. На передней стенке вмонтированы измерительные приборы: амперметр до 100 А и вольтметр до 12 В. На верхнюю стенку корпуса выведены два контакта с зажимами, в которые закрепляется исследуемая пластинка из никеля. Трансформатор питается от регулятора напряжения. Рукояткой этого регулятора устанавливается необходимое значение силы тока. Вращая рукоятку регулятора, доводят пластинку до раскаленного состояния. При помощи пирометра определяют её температуру, а также записывают показания амперметра и вольтметра.
Каждое измерение температуры необходимо производить не менее четырех раз, изменяя накал лампы пирометра и вновь отыскивая условие исчезновения нити.
Помните, что нить лампы пирометра обладает тепловой инерцией и регулировка её накала должна быть медленной.
Задание и обработка результатов.
1. Измерить яркостные температуры раскаленной никелевой пластинки, устанавливая силу тока от 50 А до максимально возможного через каждые 5 А.
2. По таблице 1 найти термодинамические температуры.
Измеренные яркостные температуры
Измерение температуры с помощью пирометров излучения
При высокой температуре любое нагретое тело значительную долю тепловой энергии излучает в виде потока световых и тепловых лучей.
Чем выше температура нагретого тела, тем больше интенсивность излучения. Тело, нагретое приблизительно до 600°С, излучает невидимые инфракрасные тепловые лучи.
Дальнейшее увеличение температуры приводит к появлению в спектре излучения видимых световых лучей.
По мере повышения температуры цвет меняется: красный цвет переходит в желтый и белый, представляющий собой смесь излучений разной длины волны.
Чем выше температура, тем большая доля энергии приходится на излучение с меньшей длиной волны.
Например, в солнечном свете значительную долю составляет ультрафиолетовое излучение с малой длиной волны.
Яркость излучения однозначно зависит от температуры, следовательно, измеряя яркость, можно определить температуру.
Особенностью пирометров излучения является то, что измерение температуры производится без непосредственного контакта прибора с объектом измерения, что позволяет контролировать температуру сильно нагретых тел, а также движущихся объектов.
По принципу действия пирометры излучения разделяют на оптические и радиационные.
Оптический пирометр с исчезающей нитью
Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении монохроматической яркости излучения накаленного тела с монохроматической яркостью излучения нити специальной пирометрической лампы накаливания.
Рис. 9. Схема оптического пирометра
Оптическая система пирометра представляет собой телескоп с объективом (1) и окуляром (4).
Перед окуляром помещен красный светофильтр (3). Спектральная характеристика пропускания светофильтра подбирается с учетом спектральной чувствительности глаза так, чтобы при рассматривании объекта через светофильтр наибольшая видимая яркость соответствовала бы длине волны около 0,65 мкм.
В фокусе объектива находится вольфрамовая нить пирометрической лампочки (5).
Нить лампочки питается от аккумулятора; ее накал можно регулировать вручную реостатом (6).
В поле зрения телескопа наблюдатель видит участок излучающей поверхности накаленного тела (объекта измерения) и на этом фоне – нить лампочки .
Если яркости нити и накаленного тела неодинаковы, нить будет видна более темной или более светлой, чем фон.
Регулируя накал нити реостатом, наблюдатель добивается равенства яркостей, при этом изображение нити сольется с фоном и станет неразличимо (нить «исчезнет»).
В этот момент яркостная температура нити равна яркостной температуре объекта измерения.
Глаз весьма чувствителен к различению яркостей и момент «исчезновения» нити улавливается с достаточной уверенностью.
Во избежание перегрева нити, ее температура не должна превышать 1500°С, поэтому при измерениях в диапазоне более высоких температур перед лампой устанавливается поглощающий светофильтр (7), уменьшающий видимую яркость излучения объекта.
Отечественные пирометры выпускаются с диапазонами измерения 1200-3200 и 1500-6000°С.
Переход с одного диапазона на другой осуществляется введением или выведением поглощающего светофильтра.
Существуют также оптические пирометры, в которых сличение яркостей нити и объекта производится не визуально, а фотоэлектрическим устройством, что позволяет автоматизировать измерение и повысить точность определения яркостной температуры. Однако схема и конструкция прибора при этом существенно усложняются.
4.2.4. Пирометры
Пирометры применяются для измерения температур тел от 300 до 6000 0 С. Действие их основано на зависимости теплового излучения нагретых тел от их температуры и физико-химических свойств. В отличие от термометров первичный преобразователь пирометра не подвергается влиянию высокой температуры и не искажает температурного поля, т. к. находится вне измеряемой среды. Такой метод измерения принято называть бесконтактным.
Теоретические основы методов измерения температуры тел по их тепловому излучению
С повышением температуры нагретого тела интенсивность его теплового излучения в виде электромагнитных волн различной длины быстро возрастает. При нагреве до 500 0 С тело излучает невидимые инфракрасные лучи большой длины волны, дальнейшее увеличение температуры вызывает появление и видимых лучей меньшей длины, благодаря которым тело начинает светиться (видимая часть спектра лежит в пределах длин волн 0,4 – 0,76 мкм). При увеличении температуры сначала тело имеет темно-красный цвет, затем красный, оранжевый, желтый и белый цвета.
Одновременно с увеличением температуры тела возрастает интенсивность частичного (монохроматического или одноцветного) излучения (яркость) для данной эффективной длины волны, а также заметно увеличивается интенсивность суммарного излучения (радиация) телом энергии, что позволяет использовать эти свойства для измерения температуры нагретых тел.
Методы измерения температур, использующие свойства теплового излучения тел, вытекающие из законов излучения абсолютно черного тела, нашли широкое практическое применение. Под абсолютно черным телом понимают тело, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию. Такие тела в природе отсутствуют, но модель черного тела можно осуществить с достаточной степенью приближения – замкнутая камера с отверстием.
Интенсивность частичного излучения черного тела E,T описывается уравнением Планка
, [Вт/м 3 ], (4.23)
где С1 и С2 – постоянные (С1 = 3,7410 -16 Втм 2 и С2 = 1,4410 -2 мК), – эффективная длина волны, м. С увеличением температуры интенсивность сильно увеличивается, максимум смещается в стороны коротких волн (рис. 13) [5].
Рис. 13. Зависимость энергетической яркости черного тела (R0(λ,T) = =πEλ,T) от длины волны и абсолютной температуры
Для области видимых лучей ( = 0,4 – 0,76) и невысоких температур (до 2900 К) это уравнение упрощается (ошибка 1%) – закон Вина:
. (4.24)
Уравнение (4.24) положено в основу измерения температуры по интенсивности частичного излучения (яркости) нагретого тела в лучах эффективной длины волны , равной 0,65 мкм (красный цвет), при помощи приборов, называемых пирометрами частичного излучения.
Интенсивность суммарного излучения ET (Вт/м 2 ) черного тела при различных температурах определяется площадью, ограниченной кривой (см. рис. 13), и ее можно найти путем интегрирования уравнения (4.23) в пределах =0 – . В результате получаем
ET=T 4 . (4.25)
Это закон Стефана-Больцмана. Здесь – постоянная, равная 5,7510 -16 .
Уравнение (4.25) положено в основу измерения температуры по интенсивности суммарного излучения (радиации) нагретого тела посредством приборов, называемых пирометрами суммарного излучения.
Из соотношения (4.24) для различных T1 и T2 можно определить степень возрастания интенсивности излучения
и 
.
Логарифмируя и вычитая, получим
. (4.26)
Кроме того, из уравнения (4.25) получим
. (4.27)
Если сравнить относительное возрастание интенсивности частичного излучения и суммарного излучения для черного тела (формулы (4.26) и (4.27)), можно увидеть, что интенсивность частичного излучения возрастает много быстрее, чем интенсивность суммарного излучения. В силу этого пирометры частичного изучения являются приборами более точными, чем пирометры суммарного излучения.
Поскольку иET зависят от физических свойств тела, шкалы пирометров градуируются по излучению черного тела, т.е. в градусах так называемой черной (условной) температуры. В связи с тем, что все физические тела имеют излучающую и поглощающую способность меньше, чем у абсолютно черного тела, то пирометры частичного изучения показывают черную температуру яркостную, а пирометры суммарного излучения показывают черную температуру радиационную, т.е. эти температуры всегда более низкие, чем действительная температура нагретого тела.
Яркостной температурой Ts физического тела в свете длины волны называется такая температура абсолютно черного тела Т, при которой яркость физического тела равна яркости абсолютно четного тела при температуре Ts.
При цветовом методе измерения температуры тела пользуются пирометром с исчезающей нитью.
Оптические пирометры с исчезающей нитью и фотоэлектрические пирометры
Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении в лучах определенной длины волны яркости исследуемого тела с яркостью нити пирометрической лампы, установленной внутри прибора. Этот пирометр применяется для измерения температур выше 800 0 С. При измерении температуры тела с помощью пирометров температурное поле объекта измерения не искажается, т.к. измерение осуществляется бесконтактным методом, что является существенным преимуществом по сравнению с другими датчиками измерения температур. Кроме того, верхний предел температур, измеряемый пирометрами, неограничен.
Основным недостатком пирометров с исчезающей нитью является то, что нуль-индикатором у этих приборов служит человеческий глаз. Вследствие этого измерения оптическими пирометрами отличаются известной субъективностью. Кроме того, оптические пирометры позволяют производить измерение только яркостной температуры, что также является их недостатком.
Принципиальная схема оптического пирометра с исчезающей нитью изображена на рис. 14. Пирометр состоит из телескопа, в фокусе объектива которого помещена пирометрическая лампа с вольфрамовой нитью в форме дуги, нагреваемой от источника тока. Перед окуляром, предназначенным для наблюдения изображения источника излучения и нити, находится красный светофильтр, пропускающий только лучи определенной длины. Это дает возможность измерения температуры производить на основе закона возрастания с температурой интенсивности монохроматического излучения. Накал нити лампы, а следовательно, и ее яркость зависят от силы тока, протекающего по нити, которая регулируется с помощью реостата, встроенного в телескоп. В качестве показывающего прибора для измерения тока накала нити служит миллиамперметр со шкалой, часто отградуированной уже в 0 С. При наводке и фокусировке телескопа объектив его перемещают вдоль оптической оси, добиваясь совпадения плоскости изображения излучателя с плоскостью нити пирометрической лампы.
Когда телескоп сфокусирован на источник излучения, температура которого измеряется, и лампа включена, то в поле зрения на светлом фоне изображения источника видна нить в виде дуги. Если нить нагрета до температуры, меньшей, чем источник излучения, то ее яркость будет меньше, чем яркость фона изображения объекта, и нить представится в виде темной дуги (рис. 15). Если нить нагрета до температуры, большей, чем излучающий объект, то она выглядит как светлая дуга на темном фоне. Если температура нити и объекта одинаковы, то нить исчезает.
Рис. 14. Принципиальная схема оптического пирометра с исчезающей нитью: 1 – телескоп, 2 – окуляр, 3 – светофильтр, 4 – пирометрическая лампа, 5 – диафрагма, 6 – реостат, 7 – поглощающее стекло, 8 – миллиамперметр
Рис. 15. Нить оптического пирометра: а) – температура нити ниже температуры излучателя, б) – температура нити выше температуры излучателя, в) – температура нити равна температуре излучателя
При использовании пирометра нужно следить за тем, чтобы нить не перегревалась выше 1400 0 С. Для измерения температуры выше 1400 0 С телескоп пирометра снабжают поглощающим фильтром, помещаемым между объективом и пирометрической лампой. Поглощающий фильтр ослабляет яркость излучения объекта, что дает возможность измерения производить при температуре нити накала, меньшей 1400 0 С. При этом должна вводиться поправка, связанная с поглощением в стекле.
Если в оптических пирометрах с исчезающей нитью нуль-индикатором служит человеческий глаз, то в фотоэлектрических пирометрах световой поток, испускаемый нагретым телом, а значит, и температура тела измеряются с помощью фотоэлемента, фототок которого пропорционален падающему на него световому потоку.
В приборах первого вида световой поток, испускаемый нагретым телом, предварительно пропускается через светофильтр, который выделяет из него лучи определенной длины волны. Эти лучи определенной длины волны попадают затем на фотоэлемент, в котором возникает ток, по величине которого судят о температуре тела.
В пирометрах второго вида на фотоэлемент при помощи объектива направляется полный световой поток, излучаемый телом.
Фотоэлектрические пирометры так же, как и пирометры с исчезающей нитью, градуируются по абсолютно черному телу. Достоинством фотоэлектрических пирометров является то, что они позволяют измерять температуру нагретых тел объективным и безынерционным методом. Кроме того, показания фотоэлектрических пирометров могут записываться и передаваться на расстояние. Перечисленными достоинствами обладают также радиационные пирометры.
Радиационные пирометры
Радиационные пирометры основаны на тепловом действии лучей нагретого тела, температура которого подлежит измерению. Отсюда очевидно, что радиационный пирометр должен быть снабжен специальным устройством для концентрации потока энергии, исходящего от излучателя на теплочувствительном органе, по нагреванию которого судят о температуре излучающего тела. Концентрация лучей, исходящих из источника на теплочувствительный элемент пирометра, обычно осуществляется с помощью вогнутого зеркала или лучепреломляющей линзы. Их применение способствует увеличению потока энергии, попадающего на теплочувствительный орган пирометра, что повышает его чувствительность.
В качестве теплочувствительного органа пирометра используют миниатюрную термобатарею из нескольких последовательно соединенных термопар (гипертермопара), горячие спаи которых обычно монтируются на зачерненной пластинке из платиновой фольги. В качестве показывающих и самопишущих приборов для радиационных пирометров используются пирометрические милливольтметры и потенциометры.
Вследствие сложной зависимости термоэдс термобатареи радиационного пирометра от температуры источника и необходимости учитывать ряд побочных факторов шкала его градуируется непосредственно по абсолютно черному телу.
Поверка пирометров
Промышленные оптические пирометры поверяются путем сравнения их показаний с температурой нити накала образцовой температурной лампы или с помощью образцового пирометра.
Образцовая температурная лампа служит для воспроизведения яркостной температуры в диапазоне 900–2000 0 С. Она представляет собой лампу с вольфрамовой лентой накала.
При поверке пирометра по температурной лампе телескоп наводится на накаленную поверхность ленты, и показания пирометра сравниваются с соответствующими значениями яркостной температуры, определяемой по силе тока, проходящего через температурную лампу.
Поверка оптического пирометра методом сравнения с показаниями образцового пирометра производится путем одновременной наводки на излучатель обоих телескопов, установленных под одинаковым углом к излучателю.
Радиационные пирометры обычно поверяются посредством сравнения их показаний с показаниями образцового пирометра того же типа.
Пирометры с исчезающей нитью
Оптический пирометр с исчезающей нитью измеряет энергию монохроматического излучения тела, т. е. яркостную температуру при определенной фиксированной длине волны 65 мкм, которая выделяется из спектра излучения с помощью красного фильтра.
Измерение температуры пирометрами с исчезающей нитью производится путем сравнения яркости исследуемого тела и нити фотометрической лампы, проградуированной но АЧТ при длине волны 65 мкм. С помощью оптической системы изображение нагретого тела проектируется ни плоскость нити лампы накаливания. Реостатом сила тока накаланити регулируется таким образом, чтобы яркость лампы сравнялась с яркостью измеряемого тела. Температура определяется по силе тока накала нити в момент ее «исчезновения» на фоне раскаленного тела. Принципиальная схема пирометра показана на рис. 3.7.
Нить накала лампы питается от аккумулятора. Сила тока накала отмечается на шкале стрелочного прибора. Для визирования и фокусирования нити лампы и объекта служит оптическая система. Имеются устройства для введения красного и ослабляющего фильтров. Кажущаяся температура на шкале прибора с помощью градуировочной кривой переводится в истинную температуру.
Для лабораторных измерений температуры применяют стационарные оптические пирометры типа ЭОП и ОП, в которых цилиндрическая нить лампы со стороны наблюдателя шлифованием утончена до половины своего диаметра, что способствует улучшению ее «исчезновения».
Образцовые пирометры позволяют измерять температуру с точностью 0,2 – 0,5% в пределах от 800 до 3000, эталонные пирометры имеют точность измерения 0,05% при 1000.
Приближенная калибровка оптических пирометров осуществляется по точкам плавления чистых металлов; фиксируют силу тока лампы в момент начала затвердевания. Используя закон Вина, можно обойтись одной реперной точкой, но для более точной градуировки рекомендуется использовать несколько точек.
При градуировке пирометров экстраполяцией температуры от температур реперных точек возникают в среднем следующие ошибки, °С: 1500±3; 1700±3,5; 2000+4,6. Однако ошибки измерений значительно выше. Так, для пирометров типа ОП при работе в пределах 1200 – 2000 °С основная ошибка составляет ± 13 °С и до
Рисунок 3.7 – Схема оптического пирометра с исчезающей нитью:
1 – линза объектива; 2 – тубус объектива; 3 – поглощающие стекла; 4,5 – сопротивления; 6 – движок реостата; 7 – части показывающего прибора; 8 – тубус окуляра; 9 – красный светофильтр; 10 – постоянный магнит показывающего прибора; 11 – кольцевой реостат; 12 – батарея аккумуляторов; 13 – шунтирующее сопротивление; 14 – зажимы для измерения силы тока пирометрической лампы; 15 – пирометрическая лампа; 16 – накаленное тело
Рисунок 3.8 – Схема хода лучей в фотоэлектрическом пирометре
±40°С при измерениях температур в пределах 1800—3200°С. В технических пирометрах основная погрешность определений для приведенных интервалов температур соответственно составляет ±20 и ±50°С.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: