Бесконтактное измерение температуры нагретых тел методоами оптической пирометрии

Бесконтактное измерение температуры нагретых тел методоами оптической пирометрии

Общие положения

Цель работы: Изучение методов бесконтактного определения температуры нагретых тел по их собственному тепловому излучению методами оптической пирометрии.

Задачи работы.

Практическое ознакомление с принципами и основными методами бесконтактного измерения температуры.

Приобретение опыта работы с пирометрическим оборудованием и пирометрическими измерениями.

Методические указания.

Основные принципы и методы оптической пирометрии и работа оптических пирометров рассматривалась в курсах «Технические измерения и приборы», «Методы и средства измерений, испытаний и контроля». Перечень литературы по теме работы представлен в заключении настоящего описания.

Место выполнения работ

Экспериментальная часть лабораторной работы выполняется в лаборатории лазерных и оптических технологий.

 

Оборудование

Аппаратно-программный комплекс пирометрических измерений.

Техника безопасности

1. При работе с аппаратным комплексом следует соблюдать технику безопасности работы с электрическим оборудованием и компьютером.

2. Категорически запрещается касаться неизолированных токоведущих проводников и клейм цепи питания лампы при включенном оборудовании.

3. Запрещается устанавливать ток лампы более 20 А.

 

Принцип действия пирометра.

Оптоэлектронный прибор, с помощью которого осуществляется дистанционное бесконтактное измерение температуры нагретых тел по из собственному тепловому излучению называется оптическим пирометром или просто пирометром..

В зависимости от используемого принципа и метода измерения пирометр может иметь самую различную конструкцию. На рис. 1. приведена обобщенная схема устройства пирометра.

Рисунок 2. Устройство яркостного пирометра.

Тепловое излучение от объекта собирается оптической системой (объективом, линзой, оптоволоконным световодом) и через оптический светофильтр (или систему светофильтров), который выделяет из всего спектра теплового излучения один или несколько спектральных диапазонов (пирометрические длины волн). Излучение в выбранном спектральном диапазоне фокусируется на фотоприемник (или нескольких фотоприемниках по числу спектральных диапазонов), который преобразует тепловое излучение объекта в электрический сигнал. Этот сигнал обычно называют пирометрическим сигналом, поскольку именно в результате его последующей обработки определяется численная величина температуры нагретого тела.

Величина пирометрического сигнала определяется мощностью теплового излучения и свойствами поверхности объекта, оптическими характеристиками окружающей среды, параметрами самого пирометра:

 

 

где:

· интегрирование ведется по интервалу длин волн от l-Dl/2 до l+Dl/2, величина интервала Dl определяется конструкцией пирометра.

· U_N(T) – величина пирометрического сигнала, а N – индекс, показывающий сколько и какого типа спектральных каналов используется в пирометре;

· Т – температура нагретого тела (объекта измерений);

· G – коэффициент, характеризующий долю испускаемого нагретым телом теплового излучения, которая попадает в объектив пирометра. Величина этой доли, т.е. значения коэффициента G, может изменяться при изменении расстояния между пирометром и объектом.

· x (l) – аппаратная функция пирометра, показывающая зависимость спектрально-энергетических характеристик пирометра (спектральной чувствительности) от длины волны излучения;

· e (l,Т) – излучательная способность поверхности объекта, которая является функцией температуры и длины волны;

· t (l,Т) – коэффициента пропускания среды между нагретым телом и пирометром, который тоже есть функция длины волны излучения. В дальнейшем будем полагать, что поглощение в среде мало и может быть учтено соответствующей корректировкой величины e (l,Т);

· М₀(l,Т) –. спектральная плотность мощности излучения АЧТ, которое находится при температуре, равной температуре объекта.

 

Для того, чтобы вычислить температуру по величине пирометрического сигнала необходимо решить интегральное уравнение. Такое решение чрезвычайно сложно с математической точки зрения и будет содержать большую погрешность даже при точно известных значениях оптических характеристик объекта и пирометра. Поэтому на практике обычно используют некоторые приближенное способы решения, из которых наиболее часто используют следующие:

1. Если оптическая система пирометра вырезает из всего спектра теплового излучения очень узкие диапазоны длин волн, DlÞ 0, то такие пирометры называют монохроматическими. В этом случае можно не учитывать спектральную зависимость коэффициентов и считать их постоянными. Тогда для выбранного спектрального диапазона (спектральной компоненты теплового излучения) уравнение в приближении Вина можно преобразовать к виду:

 

 

где К(l_N) = К_N - полное значение аппаратной функции пирометра (спектральной чувствительности) на выбранной пирометрической длине волны.

e(l_N, Т) = e_N(T) – значение излучательной способности на данной пирометрической длине волны – монохроматическая излучательная способность

2. В противоположном предельном случае – спектральная селекция теплового излучения отсутствует и приемник излучения пирометра воспринимает все тепловое излучение объекта, оптический пирометр называют энергетическим (или пирометром полного излучения). Тогда с учетом закона Стефана-Больцмана можно представить следующим образом:

 

 

где К _S - интегральная энергетическая чувствительность пиромтера

e_S(Т) – величина излучательной спсобности, усредненная по всему спектру теплового излучения – интегральная излучательная способность.

 

В общем случае пирометр не является монохроматическим, светофильтры его оптической системы выделяют из теплового излучения достаточно широкую область спектра, Dl»10-20 нм и более. Тогда, если учесть, что во многих практически важных случаях значение излучательной способности в интервале Dl изменяется сравнительно мало, то согласно теореме о среднем, (известной из математического анализа, выражение () может быть приведено к виду:

 

 

где l_eff – называется эффективной длиной волны оптического пирометра и лежит в интервале длин волн от l-Dl до <l+Dl.

Величина интеграла в правой части () есть передаточная функция оптического пирометра (аппаратная функция), которая определяется только техническими характеристиками самого пирометра и не зависит от параметров объекта и является постоянной величиной K_N для данного измерительного канала пирометра. Поэтому в области, где справедливо приближение Вина, связь величины пирометрического сигнала с величиной температуры будет выражаться формулой:

 

Таким образом, мы получили общее выражение, связывающее величину пирометрического сигнала с характеристиками теплового излучения объекта и аппаратной функцией пирометра, и три наиболее практически значимых частных решения. Но во всех случаях для нахождения температуры нам необходимо знание аппаратной функции (передаточной функции, спектральной чувствительности) пирометра.

Аппаратная функция оптического пирометра определяется в процессе его калибровки. Калибровка пирометра осуществляется путем измерения зависимости пирометрических сигналов от температуры эталонного теплового излучателя, то есть объекта, излучательные характеристики которого точно известны. Таким излучателем может служить модель АЧТ в виде длинного полого цилиндра (или конуса), нагреваемого электрическим током до температуры порядка 2000 С или помещенная в вакуум полированная пластина, изготовленная из вольфрама, излучательная способность которого хорошо известна. В последнем случае в процессе калибровки все равно происходит пересчет полученных значений характеристики теплового излучения в характеристики АЧТ.

В результате калибровки для каждого из каналов пирометра получается калибровочная таблица, содержащая дискретный ряд (обычно 5-10) значений температуры АЧТ и соответствующих ей значений пирометрических сигналов. Используя различные виды аппроксимации (линейную, экспоненциальную, степенную и др.) на основе этой таблицы может быть построена непрерывная функция, описывающая зависимость пирометрического сигнала U_N от температуры T эталонного излучателя (АЧТ), U_N =f(T).

В простейшем случае этой таблицы полученной аппроксимационной формулы достаточно для того, чтобы определить некую условную температуру нагретого тела. Например, для градуировки шкалы аналогового пирометра или записи в память микропроцессорного прибора. Такой способ будет неплохо работать в случаях, описываемых формулами () и (). Однако, если пирометр не может рассматриваться как монохроматический или энергетический, то простое использование калибровочной таблицы не позволяет корректно учесть значение излучательной способности реальных тел.

Решить эту задачу позволяет дальнейший анализ полученной при калибровке функции U_N=f(T), итогом которого являются значения коэффициентов передачи пирометра K_N по каждому из его каналов и температурная зависимость их эффективных длин волн l_eff.= f(T). В результате мы имеем возможность по уровню пирометрического сигнала рассчитать соответствующую мощность излучения реального нагретого тела:

 

 

 

Яркостная температура.

Яркостная температура, точнее яркостная монохроматическая температура, определяется по мощности теплового излучения в очень узком спектральном диапазоне длин волн Dl/l<0,01-0,005.

· Яркостной температурой Т_S называют температуру абсолютно черного тела, при которой в данном бесконечно узком диапазоне длин волн плотность мощности его теплового излучения М₀(l,Т_S) равна плотности мощности излучения реального объекта М(l,Т) при его истинной температуре Т.

· На практике принято измерять и указываться величину яркостной температуры на стандартной длине волны 0,65 мкм.

 

Термин «яркостный» появился исторически в силу того, что визуально глаз воспринимает не собственно плотность мощность излучения, а плотность мощности, распространяющуюся в определенном телесном угле под определенным углом к поверхности, т.е. именно яркость объекта.

Из определения яркостной температуры следует, что если излучательная способность поверхности объекта зависит от длины волны, то яркостная температура будет различной для разных длин волн. Если измерить плотность мощности излучения теплового излучения М(l,Т), на длине волны l, то в приближении Вина для яркостной и истинной температур получим:

 

Отсюда следует, что яркостная и истинная температуры связаны соотношением:

 

Поскольку e(l ,Т) <1, то величина А отрицательная, A <0, и, следовательно, яркостная температура всегда меньше истинной.

Разность между истинной и яркостной температурами возрастает с уменьшением излучательной способности объекта и увеличением пирометрической длины волны. При высоких температурах и малой величине e(l, Т) это отличие может быть весьма значительным, достигая десятков и сотен градусов.

Величина относительной погрешности измерения температуры, выраженная через относительные погрешности измерения величины пирометрического сигнала и излучательной способности определяется выражением:

 

Принцип действия

Пирометрическая лампа является физической моделью нагретого тела. Источником теплового излучения является вольфрамовая пластинка лампы. Излучательные свойства полированного вольфрама хорошо исследованы (см. приложение 1), что позволяет при измерении температуры с высокой точностью вводить поправку на величину коэффициента излучения.

Регулируемый источник питания обеспечивает нагрев лампы до необходимой температуры. Температура лампы контролируется по её току программой комплекса (зависимость температуры лампы от тока известна и загружена в программу пирометра, что позволяет контролировать текущую температуру лампы).

Тепловое излучение лампы принимается объективом и фокусируется на торец оптоволоконного кабеля, по которому попадает в оптико-электронный блок. Оптико-электронный блок содержит три интерференционных светофильтра на длины волн 670, 810, 980 нм. Тепловое излучение принимается фотодиодами. Три из них принимают тепловое излучение, ограниченное спектральной характеристикой светофильтров, а четвертый, установленный без светофильтра, принимает излучение в диапазоне, ограниченном функцией своей спектральной чувствительности.

Ток фотодиодов усиливается и по соединительному кабелю передается на входы универсальной платы аналого-цифрового преобразователя для ввода информации в персональный компьютер. Далее полученные данные обрабатываются в программе пирометра.

Ход работы

 

Подготовка к работе

1.1. Ознакомиться с краткой теорией

1.2. Проверить исправность оборудования стенда, подготовить стенд к работе.

1.3. Включить пирометрический блок.

1.4. Включить компьютер, запустите приложение, щелкнув по ярлыку «Pyrometer» на рабочем столе.

1.5. Запустите процесс измерения, нажав кнопку «СТАРТ» на интерфейсе программы.

1.6. Выберите измерительные каналы (670 нм, 810 нм, 980нм) для измерения яркостной температуры и температуры спектрального отношения. По умолчанию измерение яркостной температуры ведется по второму каналу (810 нм), измерение температуры спектрального отношения – по первому (670 нм) и третьему (980 нм) каналам.

1.7. Установите все ручки регулировки тока (три ручки потенциометров в верхнем блоке и ручка многопозиционного переключателя диапазонов в нижнем блоке) устройства питания лампы в крайнее левое положение, соответствующее минимальному току.

1.8. Включите устройство питания, переключив тумблер «СЕТЬ» на нижнем блоке в верхнее положение.

1.9. Убедитесь, что вентилятор охлаждения верхнего блока устройства питания заработал. Затем нажмите кнопку «ПУСК» на верхнем блоке.

1.10. Убедиться в исправности средств измерения тока.

1.11. Выставьте переключатель диапазонов на второй диапазон.

1.12. Вращая поочередно ручки регулировки тока (слева направо: «грубо», «средне», «точно») установить ток лампы примерно на 13 А контролируя его по показаниям амперметра программы пирометра.

1.13. Дождитесь стабилизации тока. В случае, если ток не стабилизируется в течение продолжительного промежутка времени, попробуйте произвести установку тока повторно.

Измерение температуры

2.1. По таблице (приложение 1) выберите для температурного диапазона (1400…2000 С) и длин волн светофильтров соответствующих пирометрических каналов (канал 1 – 670 нм, канал 2 – 810 нм, канал 3 – 980 нм) подходящие значения коэффициентов излучения. Введите их в программу пирометра.

2.2. Запишите значения яркостной температуры и температуры спектрального отношения, их скорректированные значения, а также температуру, измеренной по току лампы и ток лампы.

2.3. Изменяя ток лампы в пределах от 13 до 18 А составьте таблицу зависимости температуры от тока (не менее пяти измерений):

 

Таблица 1. Таблица для результатов измерения

Ток лампы I, A	Температура, С
Определенная по току лампы (действительная) Tи, C	Яркостный метод	Метод спектрального отношения
Условная Тя, С	Коррект. Тяк, С	Условная Тсо, С	Коррект. Тсок, С

 

2.4. Рассчитайте абсолютные и относительные погрешности измерения скорректированных температур, а также их средние значения.

2.5. Постройте по результатам измерений и расчетов графики зависимости условных и скорректированных температур от действительной (принимая за действительную, температуру, измеренную по току лампы).

2.6. Оформите результаты работы в таблицы:

Таблица 2. Результаты эксперимента

По току лампы	Яркостный метод	Метод спектрального отношения
I, A	Ти, С	Тя, С	Тяк, С	DТ, С	d, %	Тсо, С	Тсок, С	DТ, С	d, %

 

Таблица 3. Средние значения погрешностей

Яркостный метод	Метод спектрального отношения
DТ, С	d, %	DТ, С	d, %

Бесконтактное измерение температуры нагретых тел методоами оптической пирометрии

Общие положения

Цель работы: Изучение методов бесконтактного определения температуры нагретых тел по их собственному тепловому излучению методами оптической пирометрии.

Задачи работы.

Практическое ознакомление с принципами и основными методами бесконтактного измерения температуры.

Приобретение опыта работы с пирометрическим оборудованием и пирометрическими измерениями.

Методические указания.

Основные принципы и методы оптической пирометрии и работа оптических пирометров рассматривалась в курсах «Технические измерения и приборы», «Методы и средства измерений, испытаний и контроля». Перечень литературы по теме работы представлен в заключении настоящего описания.

Место выполнения работ

Экспериментальная часть лабораторной работы выполняется в лаборатории лазерных и оптических технологий.

 

Оборудование

Аппаратно-программный комплекс пирометрических измерений.

Техника безопасности

1. При работе с аппаратным комплексом следует соблюдать технику безопасности работы с электрическим оборудованием и компьютером.

2. Категорически запрещается касаться неизолированных токоведущих проводников и клейм цепи питания лампы при включенном оборудовании.

3. Запрещается устанавливать ток лампы более 20 А.