ЗМІСТ

Вступ

1. Опис лабораторного стенду …………………………………………..4

2. Будова пірометра «СМОТРИЧ-4ПМ-3» та основи роботи оптичних пірометрів……………………………….………………………………………5

3. Лабораторна робота №1….....................................................................18

4. Лабораторна робота №2.........................................................................22

5. Лабораторна робота №3……………………………………...………..27

Список використаної літератури

ВСТУП

Вимірювання температури за допомогою безконтактних засобів покликане необхідністю вимірювання великих та надвеликих температур, які властиві ряду виробництв у різних галузях промисловості. Таких, наприклад, як металургія, скляна, військова промисловість та багато інших. Прилади для безконтактного вимірювання температури також застосовуються у котельних установках та інших енергогенеруючих об’єктах. Значне використання ці прилади отримали після створення та впровадження у виробництво комплексних систем автоматизованого управління об’єктами та технологічними процесами.

Теоретичною основою для створення безконтактних засобів вимірювання температури стало відкриття М. Планком, В. Віном, Л. Больцманом та іншими видатними вченими основних законів теплового радіаційного випромінювання, введення ними таких понять як „спектр” та „абсолютно чорне тіло” тощо, які лягли в основу принципу дії сучасних приладів з безконтактного вимірювання температури – пірометрів, – мова про які піде у лабораторній роботі.

Принцип дії пірометрів випромінювання базується на використанні теплового випромінювання нагрітих тіл. В порівнянні з приладами, робота яких базується на інших методах вимірювання температури, пірометри випромінювання мають наступні переваги:

а) вимірювання відбувається безконтактним методом, отже, відсутнє створення температурного поля, що викликається введенням чутливого елементу приладу у вимірне середовище,

б) верхня межа вимірювання температури теоретично не обмежена,

в) є можливість вимірювання температури полум’я і високих температур газових потоків при високих швидкостях, коли зустрічаються труднощі при використовуванні інших методів.

Мета роботи: Вивчити будову пірометра часткового випромінювання "СМОТРИЧ-4ПМ-3",навчитися виміряти з його допомогою температуру нагрітого тіла.

Прилади: пірометр часткового випромінювання "СМОТРИЧ-4ПМ-3", лабораторний стенд.

1. Опис лабораторного стенду

Мета даної лабораторної установки є отримати декілька стабільно нагрітих тіл різної температури та отримати можливість змінювати температуру розжарювання вольфрамової нитки, для подальшого вимірювання температури. Такими предметами нагрівання обрано алюмінієві пластини товщиною один міліметр, оскільки теплопровідність алюмінію є досить висока в порівнянні з іншими легкодоступними металами. В установці є чотири пластини однакового розміру та товщини, що дає можливість однаковому нагріванню, дві з яких можуть змінюватися на дві інші пластини такого ж розміру та товщини із отвором по центру пластини діаметром шість міліметрів. Даний отвір дає можливість сконцентрувати промінь випромінювання в одну точку – спіраль лампи розжарювання.

Ці пластини нагріваються від чотирьох ламп розжарювання, що є штучним джерелом світла і при цьому виділяють велику кількість тепла. Лампи мають різну потужність: 200 Вт, 150 Вт, 100 Вт та 60 Вт. Відповідно до цього кожна пластина нагрівається на різну температуру і дає можливість користуватися стендом більшій кількості студентів.

Пластини, незалежні одна від одної, закріплені нерухомо на передній панелі металевого ящика, який прикріплений на лабораторний стенд і всередині містить чотири лампи розжарювання. Передня та задня панель ящика зроблені із текстоліту, оскільки цей матеріал не проводить струм та не горить при високих температурах. Для зміни ламп розжарювання, для технічного обслуговування та ремонту стенду, передня панель зроблена у вигляді дверцят, які відкриваються при потребі, також забезпечують безпеку користувачів. Кожна пластина знаходиться на певній відстані від лампи, це потрібно для того щоб пластини не перенагрівалися, а зберігали сталу температуру.

Лампи розжарювання живляться від джерела струму 220 В. Кожна лампа включається/виключається окремими тумблерами (1,2,3,4), які розміщені на боковій панелі і включаються від загального включателя (5). Загальний тумблер призначений для включення/виключення в роботу тумблерів включення/виключення ламп розжарювання та для виключення ламп при виникненні аварійних ситуацій.

Дві лампи 150 Вт та 60 Вт підключені до не промислового регулятора потужності (6), для поступового підвищення потужності ламп розжарювання, відповідно і підвищення температури спіралі лампи.

Всі вимикачі розташовані на бічній панелі стенду і вмонтовані в текстолітову оболонку, що забезпечує займання стенду при його несправній роботі. Відстань на якій розташовані тумблери дозволяє безпечно ними користуватися та виключає можливість їх нагрівання.

Ввесь лабораторний стенд (ящик) є непрозорий і в ньому практично відсутні щілини. Це дає можливість сконцентрувати всі промені випромінювання та забезпечити швидку та сталу температуру нагрівання пластин.

Лабораторний стенд підєднаний до загального контуру заземлення даної лабораторії.

2. Будова пірометра «смотрич-4пм-3» та основи роботи оптичних пірометрів.

2.1. Призначення пірометрів

Д ія оптичного пірометра заснована на використанні залежності густини потоку монохроматичного випромінювання від температури (закон Планка). В пірометрі використано принцип зрівнювання яскравості зображення об'єкта з яскравістю нитки пірометричної лампи. Рівність яскравостей сприймається спостерігачем як зникнення нитки лампи на фоні зображення об'єкта.

1 - лінза об’єктива; 2 — лінза окуляра; 3 - лампа розжарення; 4 - акумулятор; 5 - реостат; 6 - мілівольтметр; 7— червоний світлофільтр; 8-сірий світофільтр.

Рисунок 1 — Схема оптичного пірометра із зникаючою ниткою.

Найпоширенішим приладом цієї групи є монохроматичний оптичний пірометр із зникаючою ниткою, принципова схема якого приведена на рис.2.

Пірометр складається з телескопічної трубки з лінзою 1 об'єктиву і лінзою 2 окуляра. Усередині телескопічної трубки у фокусі лінзи об'єктиву знаходиться пірометрична лампа розжарювання 3 з підковоподібною ниткою. Лампа живиться від акумулятора 4 через реостат 5. У коло живлення пірометричної лампи включений мілівольтметр 6, конструктивно з'єднаний з трубкою телескопа. Шкала мілівольтметра градуйована в градусах температури. Для отримання монохроматичного світла окуляр забезпечений червоним світлофільтром 7 для пропускання тільки проміння певної довжини хвилі. У об'єктиві знаходиться сірий поглинаючий світлофільтр 8, який служить для розширення межі вимірювання пірометра.

Об'єктив і окуляр приладу можуть переміщатися уздовж осі в телескопічній трубці, що дозволяє одержати різке зображення розжареного

тіла і нитки. При підготовці оптичної системи до вимірювання трубку наводять на тіло і пересувають об'єктив до отримання чіткого, ясного зображення тіла і нитки лампи (у вигляді різкої чорної підкови).

Включивши джерело струму, реостатом регулюють яскравість нитки до тих пір, поки середня частина її не зіллється з освітленим тілом. У цей момент за шкалою мілівольтметра відраховують температуру тіла.

Стабільність показів оптичного пірометра із зникаючою ниткою залежить головним чином від стабільності характеристик пірометричної лампи і вимірювального приладу. Пірометрична лампа з вольфрамовою ниткою протягом дуже тривалого періоду зберігає властиву їй залежність яскравості нитки від величини протікаючого через неї струму, якщо температура не перевищує 1400°С.

Нагрівання до температури вище 1400°С приводить до розпилювання вольфрамової нитки і зміни її опору; розпилений вольфрам осідає на стінках колби лампи і утворює темний наліт. З цих причин характеристика яскравості лампи змінюється.

Межі вимірювання підвищують введенням сірого світлофільтру, який однаковою мірою поглинає енергію хвиль всіх довжин. Скло сірого світлофільтру вибирають такої оптичної густини, щоб при температурі яскравості випромінювача вище 1400°С нитка пірометричної лампи нагрівалася до температур яскравості не вище 1400°С. Відповідно до цього мілівольтметр забезпечують двома шкалами: верхньою - для вимірювання температур від 800 до 1400° С без сірого світлофільтру і нижньою - для температур вищих 1300°С з введеним сірим світлофільтром.

Приладобудівна промисловість випускає переносні оптичні пірометри із зникаючою ниткою в різному конструктивному оформленні для температур від восьмисот до декількох тисяч градусів. Пірометри працюють з ефективною довжиною хвилі 0,65 або 0,66 мкм.

Пірометри часткового випромінення "Смотрич-4ПМ1", "Смотрич-5ПМ1" призначені для безконтактного вимірювання температури тіл в діапазоні від мінус 30 до 2400 ^ОС. Входять до складу агрегатного комплексу переносних пірометрів випромінення АПІР-П.

Пірометри розроблені для експлуатації в макрокліматичних районах з помірним кліматом (пірометри звичайного виконання); в макрокліматичних районах із сухим тропічним кліматом (пірометри експортного виконання, в тому числі тропічного виконання).

Пірометри звичайного виконання стійкі до впливу температури навколишнього повітря від 5 до 40 ^ОС і відносної вологості до 80% при температурі 35 ^ОС і нижчих температурах без конденсації вологи.

Пірометри тропічного виконання стійкі до впливу температури навколишнього повітря від 1 до 45 ^ОС і відносній вологості 80% при температурі 35 ^ОС і нижчих температурах без конденсації вологи. Пірометр дозволяє вимірювати температуру об'єкта з випромінювальною здатністю від 0,4 до 1,0. Дискретність встановлення значення випромінювальноїї здатності - 0,001. Найбільша допустима зміна показів пірометрів, викликана зміною випромінювальної здатності об'єкта в діапазоні від 0,4 до 1,0, при положеннях коректора, які відповідають значенню випромінювальної здатності вимірюваного об'єкта, не перевищує половини границі допустимої основної похибки.

Пірометри витримують вібрацію з частотою 5 - 25 Гц і амплітудою, не більшою 0,1 мм.

2.2 Технічні характеристики

Пірометри є:

- за конструктивним способом монтажу – переносні;

- за числом діапазонів вимірювання – однодіапазонні;

- за числом каналів вимірювання – одноканальні;

- за видом вихідного сигналу – дискретні;

за типом індикатора цифрового табло – зі світлодіодними індикаторами.

Діапазон вимірюваних температур, робочий спектральний діапазон, границі допустимих основної та інструментальної похибок, номінальний показник візирування, робоча відстань, час встановлення показів і тип приймача випромінення для кожного виконання пірометрів вказані в таблиці 1.

Таблиця 1

Умовне позначення типу і виконання	Діапазон вимірю-ваних температур, ОС		Робо- чий спект- ральний діапа-зон, мкм	Границя допус- тимої основної похибки	Границя допус- тимої інструментальної по-хибки	Показ-ник візирування, номінальне зна-чення	Робоча відстань, м		Час встановлен-ня показів, с	Тип прий- мача випро-мінення
	від	до					від	до
Смотрич-4ПМ1- -01 -02 -03 -04 -05 -06 -07	0 30 -30 200 200 100 300	100 1100 200 900 900 1300 1400	6,0- 9,0 6,0- 9,0 6,0- 9,0 4,5- 5,5 6,0- 9,0 6,0- 9,0 6,0- 9,0	+2,0 ОС +1,5 % +4,0 ОС +1,5 % +1,5 % +1,5 % +1,5 %	+1.0ОС +0,8 % +2,0 ОС +0,8% +0,8 % +0,8 % +0,8 %	1:10 1:25 1:25 1:25 1:25 1:25 1:50	0,35 0,6 0,6 1,0 1,0 0,6 1,0	3,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0 15,0	1,0	Термобатарея
Смотрич-5ПМ1- -01 -02 -03 -04 -05 -06	900 1000 600 700 800 1000	2400 1500 1500 1700 2000 2000	0,8- 1,8 0,7- 1,1 0,8- 1,8 0,8- 1,8 0,8- 1,8 0,65	+1.0 %	+0,5 %	1:250 1:150 1:250 1:250 1:250 1:150	2,0 1,0 2,0 2,0 2,0 1,0	15,0	1,0	Фотодіод

Живлення пірометрів здійснюється від джерела постійного струму - батареї акумуляторів - напругою (5 +^0,5_1,0) В, що забезпечує неперервну роботу пірометрів протягом не менше 6 год.

Споживана потужність не перевищує 0,4 Вт.

Пірометр дозволяє вимірювати температуру об'єкта з випромінювальною здатністю від 0,4 до 1,0. Дискретність встановлення значення випромінювальноїї здатності - 0,001.

Найбільша допустима зміна показів пірометрів, викликана зміною випромінювальної здатності об'єкта в діапазоні від 0,4 до 1,0, при положеннях коректора, які відповідають значенню випромінювальної здатності вимірюваного об'єкта, не перевищує половини границі допустимої основної похибки.

відповідають спектральному і температурному діапазону використовуваного пірометра);

Візирна система пірометрів забезпечує чітку видимість об’єктів, що знаходяться на відстані, вказаній в таблиці 1.

Мінімальні розміри вимірюваного об’єкта, при яких основна похибка пірометрів не перевищує границі допустимого значення, для різних робочих відстаней наведені в таблиці 2.

Таблиця 2

Позначення типу і виконання	Мінімальні розміри вимірюваного об’єкта для різних робочих відстаней
Смотрич-4ПМ1-01	62 90 150 мм 0 0,35 0,6 1,0 м
Смотрич-4ПМ1-02 -03 -04 -05 -06	40  60 мм 0 0,6 1,0 м
Смотрич-4ПМ1- 07	30 30  60 мм 0 0,6 1,0 2,0 м
Позначення типу і виконання	Мінімальні розміри вимірюваного об’єкта для різних робочих відстаней
Смотрич- 5ПМ1-01, -03, -04, -05	30 25 80 мм 0 1,0 4,0 13,0 м
Смотрич-5ПМ1-02, -06	15 15  30 мм 0 0,6 1,0 2,0 м

Найбільша допустима зміна показів пірометрів, викликана відхиленням температури навколишнього повітря від нормальної в межах діапазону від 5 до 40^ОС ( від 1 до 45 ^ОС для пірометрів тропічного виконання), не перевищує половини границі допустимої основної похибки на кожні 10^ОС зміни температури.

Найбільша допустима зміна показів пірометрів, викликана впливом зовнішнього магнітного поля напруженістю 400 А/м з частотою (50 + 1) Гц при найбільш несприятливих фазі і напрямку поля, не перевищує половини границі допустимої основної похибки.

Маса пірометра не перевищує 1,4 кг.

Загальний вигляд і габаритні розміри пірометра наведені на рисунку 2.

Рисунок 2

2.3 Будова та робота пірометрів

Принцип дії пірометрів базується на використанні залежності енергетичної яскравості випромінення в обмеженому діапазоні довжин хвиль від температури об'єкта вимірювання. Функція перетворення пірометра є складною аналітичною залежністю вихідного сигналу від температури і випромінювальної здатності, пропускання проміжного середовища, апаратної функції і інших параметрів пірометрів.

З метою мінімізації методичної похибки вимірювання в пірометрах передбачена можливість введення поправки на величину випромінювальної здатності об'єкта з виведенням її на цифрове табло.

Структурна схема пірометра наведена на рисунку 3.

Рисунок 3

Пірометр складається з оптичної системи (ОС), приймача випромінення (ПВ), функціонального перетворювача (ФП), підсилювача постійного струму (ППС), аналого-цифрового перетворювача (АЦП), цифрового табло (ЦТ), блоку живлення (БЖ) і перетворювача напруги (ПН).

З допомогою лінзової або дзеркальної оптичної системи потік випромінення від поверхні нагрітого тіла, температуру якого необхідно виміряти, направляється на польову діафрагму і чутливу площадку приймача випромінення. Розміри діафрагми і чутливої площадки приймача визначають кут зору пірометра.

Візирна система дозволяє проводити наведення пірометра в напрямі об'єкта вимірювання.

Низькотемпературні пірометри “Смотрич-4ПМ1-01, “Смотрич-4ПМ1-02“, “Смотрич-4ПМ1-03” можуть бути виконані без оптичної візирної системи, з лазерним наведенням на об'єкт.

Приймач випромінення служить для безпосереднього перетворення потоку випромінення в електричний вихідний сигнал. Приймачами випромінення в залежності від типу можуть служити напилена напівпровідникова термобатарея або германієвий (чи кремнієвий) фотодіод.

Підсилювач постійного струму, функціональний перетворювач, перетворювач напруги і аналого-цифровий перетворювач з цифровим табло виконані на окремих друкованих платах.

В ППС відбувається підсилення сигналу від приймача випромінення до рівня 1 В. Тут також вводиться корекція випромінювальної здатності і запам'ятовування максимального значення сигналу.

Функціональний перетворювач (ФП) служить для перетворення нелінійного сигналу з підсилювача постійного струму в лінійний і його масштабування.

Аналого-цифровий перетворювач з цифровим табло служать для цифрового представлення інформації в градусах Цельсія.

Перетворювач напруги виробляє напругу живлення всіх плат і опорну напругу.

Блок живлення представляє собою касету з чотирьох акумуляторів типу Д-0,55С.

Конструктивно пірометри виконані у вигляді малогабаритного переносного приладу (рисунок 4).

За формою пірометр є камерою 1, до якої прикріплена рукоятка 2. Камера складається з двох деталей: кожуха 3 і корпуса 4. До корпуса камери через перехідну планку 5 кріпиться оптичний вузол, який складається з оптичної системи і плат електронної частини приладу 6, 7, 8, 9.

Оптичний вузол - це трубчастий кронштейн 10, всередині якого розміщається об'єктивна лінза 11, дзеркало 12 і приймач випромінення 13, а окулярна частина 14 оптичної системи виконана у вигляді трубки з поворотним дзеркалом 15, котра окремо прикріпляється до трубчастого кронштейна.

Кожух камери 3 входить всередину корпуса 4 і закріпляється за допомогою гайки 16,яка закручується в трубчастий кронштейн оптичної системи.

Рукоятка пірометра кріпиться до корпуса камери за допомогою трьох гвинтів, всередині рукоятки розміщені блок живлення 17 і вузол кнопки 18 включення запам'ятовування з пружинними клемами 19 підключення живлення. На рукоятці міститься кнопка включення живлення пірометра.

На лицевій панелі пірометра нанесене позначення типу пірометра, а також розміщені вікно окуляра 20, вікно цифрового табло 21, ручка регулювання 22, кнопка переключення режиму роботи пірометра ( “ “ або "С"), кнопка режиму вимірювання - поточне або максимальне значення (max).

Блок живлення 17 виконаний окремим вузлом і складається з пластмасового корпусу, всередині якого знаходяться послідовно з'єднані чотири акумулятори типу Д-0,55 С з контактними клемами на стінці корпуса. Блок живлення вставляється всередину рукоятки і закривається кришкою 23 з заскочкою.

Для підзарядки акумуляторної батареї служить зарядний пристрій, який являє собою двопівперіодний випрямляч з напругою живлення (220+²² ₃₃₎) В, з частотою (50 + 1) Гц.

Для запобігання випадкового випадання пірометра з рук під час вимірювання і переноски служить страховий ремінь 24.

Рисунок 4

1 - камера; 2 - рукоятка; 3 - кожух; 4 - корпус; 5 - перехідна планка;

6-9 - плати електронної частини приладу; 10 - кронштейн; 11 - об'єктивна лінза; 12 - дзеркало; 13 - приймач випромінення; 14 - окуляр; 15 - дзеркало; 16 - гайка; 17 - блок живлення; 18 - кнопка включення запам'ятовування; 19 - клеми підключення живлення; 20 - вікно окуляра; 21 - вікно цифрового табло; 22 - ручка регулювання; 23 - кришка з фіксатором; 24 - страховий ремінь.

2.4 Підготовка пірометра до використання

Після розпакування (розконсервації) оглянути пірометр, перевірити комплектність і помістити на 24 год. в сухе приміщення, щоб він прогрівся і просох. Пірометр поставляється в готовому для роботи вигляді з незарядженим блоком живлення. Зарядити блок живлення за допомогою зарядного пристрою протягом 12 год. за методикою 2.2.1е.

Перед вимірюванням протерти захисне скло об'єктива гігроскопічною ватою або м’якою тканиною, зволоженою спиртом або авіаційним бензином.

При періодичних вимірюваннях температури пірометр необхідно утримувати в руці так, щоб долоня охоплювала рукоятку, а вказівний палець розміщався на кнопці включення запам'ятовування миттєвого значення.

При роботі з пірометром необхідно:

а) включити пірометр;

б) переключити пірометр кнопкою "  " в режим корекції випромінювальної здатності ( при цьому включиться світлодіод символа "  ") і встановити обертанням коректора випромінювальної здатності  на цифровому табло значення випромінювальної здатності, що нормується для вимірюваного об'єкта (згідно довідкових даних для випромінюючого матеріалу, які відповідають спектральному і температурному діапазону використовуваного пірометра);

в) повторно натиснути кнопку "  ", при цьому світлодіод режиму  повинен включитися і переключити пірометр в режим вимірювання:

1) навести пірометр на вимірюваний об'єкт, зображення якого повинне знаходитися в центральній частині поля зору і заповняти не менше 2/3 площадки вихідного зрачка; на цифровому табло повинне з'явитися поточне значення температури об'єкта;

2) натиснути кнопку запам'ятовування температури, розміщену на рукоятці пірометра, і здійснити відлік показу;

3) інтервал між двома відліками (час одного вимірювання) повинен бути не меншим 3 с;

г) після закінчення вимірювання виключити пірометр для збереження заряду блока живлення;

д) якщо нема додаткових даних про випромінювальну здатність об'єкта (матеріалу) в спектральному і температурному діапазонах пірометра, визначити її можна за допомогою самого пірометра за відомою дійсною температурою об'єкта (наприклад, виміряною контактним методом) таким чином : включити пірометр в режим вимірювання температур, навести на об'єкт і обертанням коректора випромінювальної здатності встановити на табло значення температури, що відповідає дійсній температурі об'єкта; переключити пірометр в режим установки випромінювальної здатності і провести за табло відлік встановленого значення випромінювальної здатності; надалі при вимірюваннях температури даного об'єкта використовуйте отримане значення випромінювальної здатності;

е) при роботі з пірометром необхідно слідкувати за достатністю заряду блока живлення. При висвічуванні символа "С" в старшому розряді цифрового табло зарядити акумуляторну батарею:

1) відкрити кришку і вийняти блок живлення з рукоятки;

2) встановити блок живлення в касету зарядного пристрою;

3) підключити зарядний пристрій до мережі змінного струму напругою (220+²²₃₃) В частотою (50 + 1) Гц. Наявність зарядного струму визначити за свіченням сигнальної лампи. Заряджати протягом 12 год. Для продовження терміну служби запасну касету блока живлення зберігати в розрядженому стані і заряджати безпосередньо перед використанням;

ж) при вимірюванні температури нерівномірно нагрітих поверхонь або при порівнянні температури різних ділянок об'єкта застосовується вимірювання максимальних значень температури:

1) натиснути кнопку "max" на передній панелі пірометра; при цьому повинен включитися індикаторний світлодіод "макс";

2) провести вимірювання максимального значення; при цьому отримане максимальне значення запам'ятається;

3) натиснути і відпустити кнопку на рукоятці пірометра; при цьому попереднє максимальне значення скидається і вимірюється нове максимальне значення;

Можливі несправності в процесі використання пірометрів і рекомендації з їх усунення

Коли при включенні пірометра не вмикається цифрове табло, то необхідно перевірити:

а) справність блоку живлення – при необхідності замінити блок живлення;

б) справність пружинної клеми підключення живлення – при необхідності частково розібрати і усунути несправність.

Заходи безпеки при використанні пірометрів.

При зарядці акумуляторної батареї (2.2.1е.) для запобігання ураження електричним струмом спочатку необхідно встановити блок живлення в касету зарядного пристрою і тільки тоді підключити зарядний пристрій до мережі змінного струму з напругою 220 В.

При використуванні пірометрів з лазерним наведенням необхідно уникати прямого попадання лазерного променя в очі людини.