Бесконтактные методы измерения температуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Сибирский государственный университет путей сообщения

РЕФЕРАТ

по моделированию технологических процессов и производств

БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Разработал:

Шкляр Е.В.

Руководитель:

Галай М.С.

Содержание

Введение

1. Пирометр полного излучения (радиационный)

2. Пирометр частичного излучения

3. Яркостный пирометр

4. Цветовой пирометр

Заключение

Введение

Одним из основных параметров, определяющих ход технологических процессов, является температура. Температура - это физическая величина, характеризующая степень нагретости тела.

Она определяется кинетической энергией атомов и молекул тела. Под температурной шкалой понимается непрерывная совокупность чисел, линейно связанных с числовыми значениями температуры. Существуют шкалы Кельвина, Цельсия и Фаренгейта. Большая часть измерений, проводящихся в промышленности, и особенно это касается металлургии, это измерение температуры. Бесконтактное измерение высоких температур необходимо в тех случаях, когда измерение температуры контактным способом сильно затруднено или невозможно, например, измерение температуры движущейся полосы металла в горячем прокате.

Если какое-либо тело нагрето значительно выше температуры окружающей среды, то его теплообмен со средой происходит не только путем теплопроводности и конвекции, но и путем лучеиспускания.

Для абсолютно черного тела полная энергия излучения с единицы поверхности пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.

Воспринимая это излучение, можно измерять температуру без непосредственного контакта с нагретым телом. О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины.

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называются пирометрами. Они позволяют измерять температуру в диапазоне от 100 до 6000С и выше.

Физические тела характеризуются либо непрерывным спектром излучения (твердые и жидкие вещества), либо избирательным (газы). Участок спектра в интервале длин волн 0,02…0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому излучению, участок 0,4…0,76 мкм - видимому излучению, участок 0,76…400 мкм - инфракрасному излучению. Интегральное излучение - это суммарное излучение, испускаемое телом во всем спектре длин волн. Монохроматическим называют излучение, испускаемое при определенной длине волны.

Бесконтактные методы измерения температуры основаны на связи, существующей между температурой тела и количеством излучаемой им энергии. Эта связь описывается законом Планка:

Основным уравнением пирометрии суммарного, полного излучения является закон Стефана-Больцмана для полной энергетической светимости:

Где:

Е0 - суммарная энергия черного тела;

Т - температура черного тела.

Законы теплового излучения - уравнения Планка, Вина и Стефана-Больцмана, показывают, что из измерений спектрального распределения плотности теплового излучения и интегральной плотности мощности можно определить температуру нагретых тел. В классических методах оптической пирометрии температуру поверхности объекта определяется по следующим характеристикам теплового излучения:

1. интегральному потоку всем диапазоне длин волн (пирометр полного излучения);

2. интенсивности в некотором ограниченном диапазоне длин волн (пирометр частичного излучения);

3. интенсивности или яркости на определенной длине волны (квазимонохроматический или яркостный пирометр);

4. отношению интенсивностей в двух или более спектральных интервалах (пирометр спектрального отношения или цветовой пирометр).

Из-за отличия излучательной способности реальных тел от излучательной способности абсолютно черного тела, значения температуры, определенные по их тепловому излучению должны отличаться от истинного значения температуры.

Поэтому говорят об «условных» или «пирометрических» температурах.

В современных оптических пирометрах вклад инструментальной погрешности в общую погрешность измерения температуры, как правило, исключительно мал.

Поэтому основной задачей оптической пирометрии является разработка методов введения поправок, устраняющих, или по меньшей мере уменьшающих, разность между истинной и условными температурами.

Также пирометры классифицируют по температурному диапазону:

- Низкотемпературные (инфракрасные радиометры). Обладают способностью показываться температуры объектов, обладающих даже отрицательными значениями этого параметра;

- Высокотемпературные. Оценивают лишь температуру сильно-нагретых тел, когда определение «на глаз» не представляется возможным. Обычно имеют сильное смещение в пользу «верхнего» предела измерения.

Введение понятия условных температур связано прежде всего с тем, что единственным способом калибровки оптических пирометров является их градуировка по излучению абсолютно черному тела. В следующей главе рассмотрим разные виды пирометров.

1. Пирометр полного излучения (радиационный)

Рис. 1:

В пирометрах этого вида полное излучение тела, температура которого подлежит измерению, направляется с помощью оптической системы (линза 1 и диафрагма 2) на рабочий конец приемника излучения 3 и нагревает его.

В качестве приемника излучения в металлургии обычно используется термобатарея, представляющая собой несколько соединенных вместе термопар. В качестве приемника излучения применяются также болометры, тепловые быстродействующие индикаторы, пироэлектрические приемники. Термо - э. д. с. приемника излучения, устанавливающаяся в результате воздействия на нее потока лучистой энергии и теплообмена с окружающими деталями, измеряется прибором ИП.

Через окуляр 5 с фильтром 4 производится наведение пирометра на объект измерения.

Итак, общего количества получаемого тепла, получаемого рабочим концом термопары то нагретого тела, в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорционально четвертой степени температуры тела и для реальных тел равно:

Где:

е(Т) - коэффициент теплового излучения тела;

Радиационная температура при этом равна:

При известном суммарном коэффициенте черноты тела возможен пересчет с радиационной температуры тела на его действительную (истинную) температуру:

Радиационные пирометры (РАПИР) выпускают в различных модификациях для измерения температур по полному тепловому излучению в диапазоне температур 400-2500°С.

Тепловая инерция пирометров полного излучения определяется в основном инерцией приемника излучения, к примеру для термобатарей это время около 2 с. Недостатком всех радиационных пирометров является то, что их показания определяются не только температурой исследуемого тела, но и отражающей способностью его поверхности.

2. Пирометр частичного излучения

Пирометры частичного излучения, действие которых ограничено сравнительно узким участком спектра, по свойствам можно отнести к квазимонохроматическим и, следовательно, распространить на них выводы теории эффективной длины волны, разработанные для визуальной пирометрии. Если действие пирометра частичного излучения ограничено более широким участком спектра (несколько десятых микрометра или больше), то его эффективная длина волны, рассчитанная по формулам визуальной пирометрии, оказывается нестабильной и значительно зависит от индивидуальных спектральных характеристик излучателя, особенно от значений его температуры.

Рис. 2. - Схема пирометра частичного излучения:

Рис. 3:

Пирометры частичного излучения (оптические) выпускаются двух основных типов - с исчезающей нитью и фотоэлектрические.

Пирометры частичного излучения - оптические пирометры, при помощи которых измеряют температуру по интенсивности монохроматического излучения (излучения лучей определенной длины волны), испускаемого раскаленным телом. Любые такие пирометры точно определяют температуру только абсолютно черных тел. Для тел, которые нельзя считать абсолютно черными, применяют коэффициенты коррекции.

3. Яркостный пирометр

Эти пирометры являются приборами сравнения в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя в виде температурной лампы накаливания.

В качестве образцового источника яркости применяют лампы с плоской вольфрамовой нитью или лентой.

После старения в течение 100 ч. при температуре 20000С излучение лампы становится стабильным, если ее при эксплуатации не перегревать выше 1400-15000С. Яркость можно регулировать или изменением тока лампы или введением нейтрального светофильтра переменной плотности «оптического клина». В первом случае шкала прибора получается резко нелинейной, так как яркость нити лампы накаливания пропорциональна примерно пятой степени тока накала. При изменении яркости с помощью оптического кругового клина угол поворота последнего будет линейно зависеть от регулируемой яркости.

Яркостные пирометры являются один из видов пирометров частичного излучения, в которых датчик реагирует на узкую часть энергетического спектра, излучаемого объектом измерения. В них используется либо вся область спектральной чувствительности человеческого глаза или фотоэлементов, либо некоторая ее часть.

В качестве преобразователя в них служит глаз человека или фотоэлементы, имеющие максимальную чувствительность в видимой или в инфракрасной области спектра.

4. Цветовой пирометр

Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения при двух длинах волн, выбираемых обычно в красной и синей областях спектра.

Температура, измеряемая цветовыми пирометрами, называется цветовой температурой тела, и если коэффициенты неполноты излучения для обеих выбранных волн совпадают между собой, то цветовая температура равна истинной температуре тела.

Это одно из решающих преимуществ цветовых пирометров.

Кроме того, показание цветовых пирометров принципиально не зависит от расстояния до объекта измерения от поглощения радиации в среде, заполняющей это расстояние, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих волн.

Недостатком цветовых пирометров является их относительная сложность.

Преимущество метода цветовой пирометрии перед другими бесконтактными оптическими способами измерения температуры состоит в том, что в качестве объекта измерения не обязательно иметь АЧТ.

Типичными образцами цветовых пирометров являются приборы ЦЭП - 3М и ЦЭП - 4.

Комплект прибора состоит из трех блоков: датчика, блока электроники, включающего усилительную и решающую схемы, показывающего или регистрирующего прибора.

Рис. 4. - Устройство пирометра с телескопом ТЭРА - 50:

Где:

1 - линза;

2 - установочный фланец;

3 - сменная втулка;

4 - термобатарея;

5 - компенсационная катушка;

6 - камера термобатареи;

7 - крышка;

8 - отверстие для наблюдения;

9 - ввод проводов.

Рис. 5. - Принципиальная схема измерения температуры цветовым пирометром:

Где:

1 - оптическая схема;

2 - диск со светофильтрами;

3 - фотоэлемент;

4 - блок измерения;

5 - самописец.

Принцип действия прибора основан на автоматическом измерении логарифма отношения спектральных яркостей в красном и синем участке спектра. Вычислительное устройство автоматически осуществляет логарифмирование отношения яркостей.

Логарифм спектрального отношения яркостей пропорционален обратным значениям цветовой температуры.

Измеряемое излучение попадает на фотоэлемент через оптическую систему прибора и через обтюратор, вращаемый синхронным двигателем.

Обтюратор выполнен в виде диска с отверстиями, закрытыми красными и синими светофильтрами таким образом, что при вращении диска на фотоэлемент попеременно попадает то красная, то синяя энергетическая яркость. Импульсы фототока, пропорциональные красной и синей спектральным энергетическим яркостям, усиливаются и подаются на вход измерительной системы. Фотоэлемент термостатирован.

Все эти устройства смонтированы в головке прибора. Усиленный ток подается в измерительный блок, в котором после соответствующих преобразований сигнал поступает в электронную логарифмирующую систему, позволяющую получать линейную шкалу.

В головке датчика находятся также устройства для ручной и автоматической регулировки уровня энергетической яркости, индикаторы и органы управления.

Для удаления пыли и дыма из поля зрения при измерении температуры открытых объектов в бленду, надеваемую на тубус объектива, подается сжатый воздух. Диапазон измерений температуры составляет 1400-2800°С. Прибор имеет от 3 до 5 поддиапазонов с интервалом 200-400С. Показания прибора переводятся в градусы Цельсия с помощью градуировочного графика для данного поддиапазона. Градуировку прибора проводят по образцовым температурным лампам. Предельная ошибка измерения цветовой температуры 2000°С равна ±30°С.

Заключение

Все эти приборы специально разработаны и откалиброваны для решения проблем измерения температуры во всех сферах деятельности человека. С помощью пирометров можно быстро и безопасно контролировать температуру электрических двигателей, корпусов трансформаторов, кожухов шинопроводов и т. д.

В строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве с помощью пирометров производят контроль температуры труб подачи и забора воздуха, измеряют температуру теплотрасс, определяют места утечек тепла, проводят инспекцию кровли. оптический технологический датчик

Бесконтактный метод измерения температуры позволяет сократить время проведения измерений и обезопасить персонал, продлить срок службы средства измерения и расширить диапазон измеряемых температур.

Дешевизна бесконтактного метода контроля температуры, его оперативность и доступность позволяют использовать пирометры практически на любом предприятии.

Благодаря своей простоте в работе, широкому диапазону измеряемых температур, малому времени отклика, отсутствию необходимости контактировать с объектом, бесконтактные средства постепенно начинают вытеснять контактные датчики температуры.

Размещено на Allbest.ru