Sb95749

Лабораторная работа 2 ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: ознакомление с принципами работы, конструкциями и правилами эксплуатации пирометров излучения.

Программа работы:

1.Ознакомиться с принципом работы яркостного пирометра.

2.Ознакомиться с принципом работы цветового пирометра.

3.Приобрести навыки работы с пирометрами.

4.Измерить температуру излучателя пирометрами и тепловизором.

5.Определить спектральные коэффициенты черноты излучателя.

2.1. Описание стенда и приборов

На лабораторном стенде температура излучателя измеряется следующими пирометрами излучения:

1)яркостным пирометром «Проминь»;

2)цветовым пирометром Marathon MR1S;

3)тепловизором Varioscan 3012.

Излучателем служит керамический образец, находящийся в нагретой замкнутой полости с небольшим отверстием для вывода излучения. Цилиндрическая излучающая полость образована внутренней поверхностью футеровки печи сопротивления, включенной в электрическую сеть через понижающий трансформатор.

Измерение температуры яркостным пирометром «Проминь» основано на изменении интенсивности L0 монохроматического излучения (яркости) тела

в лучах определенной длины волны при изменении температуры T в соответствии с предположением Вина о том, что излучение на определенной длине волны зависит от скорости движения атомов и молекул излучающего тела и распределение их по скоростям подчиняется закону Максвелла. Для абсолютно черного тела

вторая постоянная Планка.

11

Излучение реальных, нечерных тел зависит не только от температуры, но и от их оптических свойств. Для реальных тел уравнение (2.1) примет вид

где L1 L0 – спектральный коэффициент излучения (спектральный ко-

эффициент черноты).

Пл причине того, что интенсивность монохроматического излучения зависит от физических свойств тела, шкалы монохроматических пирометров градуируют по излучению абсолютно черного тела, поэтому они показывают условную яркостную температуру Tя, которая всегда ниже действительной

температуры нагретого тела. Таким образом, яркостной температурой называется условная температура нечерного тела, численно равная такой температуре черного тела, при которой их спектральные яркости равны. Для монохроматического пирометра действительная температура может быть определена из уравнений (2.1) и (2.2):

T 1 Tя 1 сln .

2

Измерение температуры цветовым пирометром Marathon MR1S основано на использовании характера спектрального распределения излучения тел. Одной из оценок кривой спектрального распределения энергии излучения тела служит производная первого порядка от логарифма энергетической яркости по спектру. Условная температура, возникающая при использовании этой характеристики, называется цветовой температурой Tц.

Связь действительной температуры с цветовой температурой выражается уравнением

Решение этого уравнения в области, где справедливо приближение Вина, имеет вид

ответствующие длинам волн спектральные коэффициенты черноты.

12

Яркостной пирометр «Проминь». Пирометр «Проминь» – переносной визуальный пирометр частичного излучения, предназначенный для измере-

ний температуры в диапазонах 800…1400, 1200…2000 и 1800…5000 C. До-

пустимая погрешность измерения для указанных диапазонов составляет ±14, 20 и 150 C соответственно.

Температура измеряется путем сравнения наблюдателем яркости нагретого тела с регулируемой яркостью нити эталонной электрической лампы накаливания в лучах красного светофильтра. Красный светофильтр задерживает электромагнитные волны длиной менее 0,62 мкм, а чувствительность человеческого глаза достигает нуля для лучей с длиной волны 0,7 мкм. В результате максимум интенсивности монохроматического излучения достигается при длине волны 0,65 мкм.

В качестве электрической схемы в приборе применена схема уравновешенного моста постоянного тока. Конструктивно пирометр выполнен в виде малогабаритного переносного прибора (рис. 2.1). В верхней части камеры 1 находятся переключатель диапазонов 6, окуляр 4 со светофильтром 5 и объектив 7, в нижней части – нуль-индикатор 9. На рукоятке 2 размещены кнопки включения прибора 11 и нуль-индикатора 10, а внутри рукоятки – аккумуляторная батарея.

Рис. 2.1. Яркостной пирометр «Проминь»

13

Во время работы пирометр удерживается в левой руке. Средний палец находится на кнопке включения 11. Нажатием этой кнопки включается ток в цепи пирометрической лампы. Поворотом ручки 3 увеличивается яркость нити, пока она не станет видимой через красный светофильтр 5 окуляра 4. Перемещением окуляра 4 добиваются равной видимости нити в поле зрения.

Наводку объектива на резкость производят плавным перемещением объектива 7 вокруг его продольной оси. Перед наводкой пирометра на объект следует установить предел измерения поворотом ручки переключателя диапазонов 6. Вольфрамовую нить лампы нельзя нагревать выше 1500 С, так как при этом может быть нарушена градуировка шкалы прибора из-за уменьшения толщины нити в результате ее частичного испарения и загрязнения внутренних стенок колбы лампы. Поэтому при измерении температур выше 1400 С яркость излучения тела ослабляется введением между объективом и нитью лампы поглощающих нейтральных светофильтров при помощи переключателя диапазонов 6.

Уравнивание яркостей (фотометрирование) производят поворотом ручки 3 при нажатой кнопке 11 и отпущенной 10. Если температура выше 1000 °С, фотометрирование производится при установленном красном светофильтре 5. После уравнивания яркостей нажимают кнопку 10, при этом стрелка нульиндикатора 9 обычно отклоняется от нулевого положения. Поворотом ручки 3 устанавливают стрелку на нулевую отметку. Отсчет температуры производится по шкале 8, соответствующей положению ручки переключателя диапазонов.

Цветовой пирометр Marathon MR1S. Цветовой пирометр спектрального отношения Marathon MR1S представляет собой бесконтактный инфракрасный термометр, имеющий регулируемый фокус, оптический прицел и оптику без параллакса. Пирометр предназначен для точного и воспроизводимого измерения количества тепловой энергии, излучаемой объектом, и преобразования ее в электрический сигнал. Температура может измеряться в двух режимах: двухцветном и одноцветном.

В двухцветном режиме температура пропорциональна отношению энергий, излучаемых объектом на двух различных длинах волн. Этот режим предназначен для измерения температуры объектов, частично блокированных другими объектами, смотровыми окнами, экранами, уменьшающими получение энергии приемником, а также если в атмосфере между источником и

приемником энергии есть пар или дым. В режиме спектрального отношения

14

можно измерять температуру объектов, не попадающих полностью в угол обзора прибора или нагретых значительно сильнее фона.

Работа в одноцветном режиме основана на измерении интенсивности монохроматического излучения объекта, которое пропорционально его температуре. Этот режим предназначен для измерения температуры объектов в зонах, где нет преград для измерений, когда в атмосфере нет аэрозолей, объект полностью попадает в поле обзора пирометра и если фон окружающей среды имеет большую температуру, чем объект.

Принцип действия пирометра Marathon MR1S заключается в одновременном преобразовании излучения объекта в одном и двух близко расположенных спектральных интервалах в электрические сигналы и формировании сигналов, пропорциональных энергетической яркости и отношению энергетических яркостей. Электрические сигналы оцифровываются и поступают в микропроцессор, который их обрабатывает и вычисляет два значения температуры T1ц – для одноцветного, T2ц – для двухцветного режима измерения.

Основные технические характеристики пирометра Marathon MR1S приведены в табл. 2.1.

На рис. 2.2 показана лицевая панель пирометра с оптическим прицелом, дисплеем и кнопками управления работой пирометра.

15

Дисплей

Рис. 2.2. Лицевая панель пирометра Marathon MR1S

Через интерфейс RS-485/232 пирометр может быть подключен к персональному компьютеру. Программа Marathon Data Temp визуализирует на экране монитора текущие показания пирометра в одно- и двухцветном режимах измерений. Кроме того, она позволяет изменять значение коэффициента черноты в одноцветном режиме и отношения коэффициентов черноты в двухцветном.

Принцип работы, описание и характеристики тепловизора Varioscan 3012 приведены в указаниях по выполнению лабораторной работы 1.

2.2. Описание измерительного стенда

На лабораторном стенде измеряется температура излучателя следующими пирометрами излучения:

1)яркостным пирометром «Проминь»;

2)цветовым пирометром Raytek Marathon MR1S;

3)тепловизором HotFind-LXT.

Излучателем служит керамический образец (7 на рис. 2.3), находящийся в нагретой замкнутой полости с небольшим отверстием для вывода излучения. Цилиндрическая излучающая полость образована внутренней поверхностью футеровки печи сопротивления Strohlein (Германия), включенной в электрическую сеть через понижающий трансформатор (рис. 2.4). Питание установки осуществляется через автоматический выключатель (ВА1). Заданная температура в рабочей области поддерживается вручную путем регулирования напряжения на выходе питающего автотрансформатора (АТ). На лабораторном стенде расположены: вольтметр (V), измеряющий напряжение питания печи; амперметр (А), измеряющий ток через нагревательный элемент печи; милливольтметр APPA 109N, измеряющий термоЭДС термопары

16

8 и передающий показания на ноутбук; милливольтметр DT-830B, измеряющий температуру свободных концов термопары.

Основные технические характеристики печи сопротивления Strohlein представлены в табл. 2.2.

Рис. 2.4. Схема включения печи

Таблица 2.2

Технические характеристики печи сопротивления Strohlein

На рис. 2.3 приведен эскиз печи сопротивления. Кожух печи 1 изготовлен из нержавеющей стали толщиной 2 мм. Печь установлена на стальном основании 9. Между кожухом и основанием проложены теплоизолирующие втулки. Рабочее пространство печи находится внутри трубы из огнеупорного материала 5 (шамот легковес), на которую намотан проволочный нагрева-

17

тель 4. Загрузка печи производится через крышку 3 (ультралегковес). С противоположной стороны рабочее пространство закрыто теплоизоляционной заглушкой 6 (ультралегковес). Футеровка печи 2 (пенодиатомит) изолирует нагреватель от внешней среды. Температура керамического образца измеряется термопарой 8.

2.3.Задание

1.Изучить конструкцию пирометров «Проминь», Marathon MR1S и теп-

ловизора Varioscan 3012.

2.Измерить температуру излучателя каждым из приборов.

3.Определить спектральные коэффициенты черноты керамического образца на рабочих длинах волн пирометров и тепловизора.

2.4.Указания к выполнению задания

Опыт 1. Определение истинной температуры излучателя.

1.Включить нагрев излучателя, установив указанное преподавателем значение выходного напряжения понижающего трансформатора.

2.По показаниям милливольтметра, подключенного к выводам Pt/Rhтермопары, зачеканенной в керамический образец, определить действительную температуру керамического образца с учетом поправки на температуру свободных концов термопары. Зафиксировать в протоколе термоЭДС и соответствующую ей температуру излучателя.

Опыт 2. Определение температуры излучателя яркостным пирометром.

1.Включить питание пирометра и проверить свечение нити лампы.

2.Перевести указатель поворотной головки светофильтров в положе-

ние 1.

3.Настроить окуляр по глазу. Для этого поворотом кольца реостата по

часовой стрелке довести накал нити лампы приблизительно до 1000 С. Направить пирометр на темную поверхность и вращением окуляра добиться четкого изображения нити.

4.Направить пирометр на нагретый образец, установив прибор на расстоянии не менее 0,7 м от излучателя. Вращая объектив, добиться четкого изображения поверхности керамического образца.

5.Изменяя яркость накала нити лампы, медленным и плавным поворотом кольца реостата добиться «исчезновения» среднего участка нити накала

на фоне изображения поверхности образца. При фотометрическом равнове-

18

сии отсчитать показания по шкале 800…1400 С и зафиксировать их в протоколе.

6.Выключить пирометр.

7.Определить спектральный коэффициент черноты 0,65 и занести его

значение в протокол.

Опыт 3. Определение температуры излучателя цветовым пирометром.

1.Включить питание пирометра Marathon MR1S.

2.Запустить на персональном компьютере программу Marathon Data Temp и убедиться, что установлена связь между персональным компьютером

ипирометром.

3.Измерить расстояние от объектива пирометра до керамического образца. Использующаяся в пирометре оптика характеризуется отношением расстояния до объекта измерения к диаметру пятна измерения как 130 : 1. Рассчитать диаметр пятна измерения.

4.С помощью Marathon Data Temp установить равным единице значение спектрального коэффициента черноты 1 0,925 и отношение спектральных

коэффициентов 1 0,925 2 1,025 .

5. Навести пирометр на керамический образец и измерить температуру. Сравнить полученные значения температур T1ц и T2ц с истинной температу-

рой керамического образца, определенной по показаниям термопары. В случае их различия подобрать такие значения спектрального коэффициента черноты и отношения спектральных коэффициентов черноты, которые помогут добиться равенства температур T1ц и T2ц с истинной температурой образца.

Занести в протокол измеренные значения температуры T1ц и T2ц, а также соответствующие им 1 0,925 и 1 0,925 2 1,025 . Рассчитать и занести в протокол значение 2 1,025 .

Опыт 4. Определение температуры излучателя тепловизором Varioscan 3012.

1.Включить питание тепловизора.

2.Навести тепловизор на керамический образец, настроить резкость изображения и выбрать температурный диапазон измерений.

3.Измерить температуру при значении спектрального коэффициента черноты, равном единице, и сохранить файл термограммы.

19

4.Перенести файл термограммы керамического образца на персональный компьютер и открыть его с помощью программного обеспечения тепловизора.

5.Записать в протокол среднюю температуру поверхности образца. Подобрать такое значение спектрального коэффициента черноты 3,5 , при

котором средняя температура поверхности образца станет равной его истинной температуре. Занести в протокол значение 3,5 .

Повторить опыты 1–4 еще для двух заданных преподавателем значений выходного напряжения понижающего трансформатора.

2.5. Требования к отчету

Отчет по работе должен содержать схемы опытов, номинальные данные приборов, опытные данные, приборные погрешности пирометров, зависимости f , T , выводы.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается принцип действия пирометров излучения?

2.Каковы достоинства пирометров излучения?

3.В чем состоит преимущество пирометров спектрального отношения перед пирометрами частичного излучения?

4.Что входит в комплекты пирометров и тепловизора?

Список рекомендованной литературы

Свенчанский А. Д. Электрические промышленные печи. Ч. 1. М.: Энер-

гия, 1975. С. 61–64, 235–307.

Гордов А. Н., Жагулло О. М., Иванова А. Г. Основы температурных измерений. М.: Энергоиздат, 1992.

Методы и средства бесконтактного измерения температуры: учеб.- метод. пособие / сост.: С. А. Галунин, А. Ю. Печенков, А. Н. Шатунов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. 48 с.

Методы и средства измерения температуры: метод. указания к практ. занятиям / сост.: А. Ю. Печенков, С. А. Галунин, К. Ю. Блинов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 48 с.

20