Метрология и измерения

1.5. Автоматические потенциометры

Автоматические потенциометры  служат для компенсационных измерений  термо-ЭДС без ручных манипуляций, свойственных неавтоматическим потенциометрам. У последних ручные манипуляции после стандартизации тока сводятся к следующей необходимости перемещать движок реохорда до тех пор, пока стрелка гальванометра не встанет на ноль. При этом перемещение движка производится во вполне определенном направлении.

Измерительная схема автоматического  потенциометра в принципе не отличается от схемы не автоматического потенциометра (рис. 10).

Схема имеет  три источника напряжения (батарея  Б, нормальный элемент НЭ и термопару  Т) и три цепи. Цепь батареи выполнена  в виде моста: в диагональ BD включается питание, а в диагональ CA - цепь термопары. Цепь нормального элемента подключается к плечу CD компенсационной цепи. С помощью переключателя П в цепь термопары или в цепь нормального элемента включается электронный усилитель ЭУ (в том числе и вибрационный преобразователь). При включении цепи нормального элемента вводится шунтирующее сопротивление R₁, параллельное электронному усилителю, так как в этом случае величина напряжения небаланса бывает много больше, чем при включении цепи термопары.

Электронные автоматические потенциометры называют иногда приборами с непрерывной  балансировкой, так как измерение небаланса производится здесь с частотой переменного тока 50 Гц.

Широкое применение имеют многоточечные автоматические потенциометры с самопишущим  устройством, предназначенным для  записи показаний нескольких термопар. Такие потенциометры имеют автоматически действующие переключатели для поочередного включения в измерительную цепь цепей отдельных термопар. Запись производится либо различным цветом, либо определенными знаками для каждой термопары.

Поверка потенциометров производится путем сравнения их показаний с показаниями образцовых потенциометров более высокого класса точности. Погрешность образцового потенциометра не должна превышать 1/3 К, где К – численное выражение класса точности поверяемого прибора.

1.6. Бесконтактное измерение температуры

Основные понятия и законы излучения

О температуре нагретого тела можно  судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего  собой электромагнитные волны различной  длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 ⁰С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.

На основании  законов излучения разработаны  пирометры следующих типов:

1. пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;
2. пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;
3. пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.

В зависимости от типа пирометра  различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.

Радиационной  температурой реального тела Т_р называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Т_д.

Яркостной температурой реального тела Т_я называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Т_д.

Цветовой  температурой реального тела Т_ц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Т_д.

Пирометры частичного излучения

К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.

Оптические пирометры

Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости  плотности потока монохроматического излучения от температуры. На (рис. 11) представлена схема оптического пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.

Изображения излучателя 1 линзой 2 и  диафрагмой 4 объектива пирометра  фокусируется в плоскости нити накаливания  лампы 5. Оператор через диафрагму 6 линзу 8 окуляра и красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне. При равенстве яркости излучателя и нити последняя "исчезает" из поя зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется с помощью батареи 10. Прибор 9, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в ⁰С.

Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700 до 
8000 ⁰С. Для оптических пирометров промышленного применения в интервале температур 1200¸2000 ⁰С основная допустимая погрешность измерения составляет ±20 ⁰С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а так же за счет отражения посторонних лучей.

Фотоэлектрические пирометры

Фотоэлектрические пирометры частичного излучение обеспечивают непрерывное  автоматическое измерения и регистрацию  температуры. Их принцип действия основан  на использовании зависимости интенсивности  излучения от температуры в узком интервале длин волн спектра. В качестве приемников в данных устройствах используются фотодиоды, фотосопротивления, фотоэлементы и фотоумножители.

Фотоэлектрические пирометры частичного излучения делятся на две группы:

1. пирометры, в которых мерой температуры объекта является непосредственно величина фототока приемника излучения;
2. пирометры, которые содержат стабильный источник излучения, при чем фотоприемник служит лишь индикатором равенства яркостей данного источника и объекта.

На (рис. 12) приведена схема фотоэлектрического пирометра, относящегося ко второй группе пирометров. В нем в качестве приемника излучения применяется фотоэлемент. Поток от излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 3 объектива фокусируется на отверстии 7 в держателе светофильтра 5 таким образом, чтобы изображение визируемого участка поверхности излучателя перекрывало данное отверстие. В этом случае величина светового потока, падающего на катод фотоэлемента 6, расположенного за светофильтром, определяется яркостью излучателя, т. е. его температурой. В держателе светофильтра расположено еще одно отверстие 8, через которое на фотоэлемент попадает поток от лампы обратной связи 17. Световые потоки от излучателя 1 и лампы 17 подаются на катод попеременно с частотой 50 Гц, что обеспечивается с помощью вибрирующей заслонки 9. Возвратно-поступательное движение заслонки обеспечивается с помощью катушки возбуждения 10 и постоянного магнита 12. В вибраторе происходит перемагничивание стального якоря 11, который с частотой 50 Гц поочередно притягивается полюсами магнита 12 и перемещает заслонку 9.

При различии световых потоков излучателя 1 и  лампы 17 в токе фотоэлемента появится переменная составляющая, имеющая частоту 50 Гц и амплитуду, пропорциональную разности данных потоков. Усилитель 13 обеспечивает усиление переменной составляющей, а фазовый детектор 14 последующее ее выпрямление. Полученный выходной сигнал подается на лампу, что вызывает изменение силы тока накаливания. Это будет происходить до тех пор, пока на катоде фотоэлемента световые потоки от двух источников не уравняются. Следовательно, ток лампы обратной связи однозначно связан с яркостной температурой объекта измерения.

В цепь лампы 17 включено калиброванное сопротивление 16, падение напряжения на котором  пропорционально силе тока и измеряется быстродействующим потенциометром 15, снабженным температурной шкалой. Окуляр 4 обеспечивает наводку устройства на объект измерения.

В фотоэлектрических  пирометрах с пределами измерения  от 500 до 
1100 ⁰С применяют кислородно-цезиевый фотоэлемент, а в приборах со шкалой 800¸4000 ⁰С вакуумный сурьмяно-цезиевый. Сочетание последнего с красным светофильтром обеспечивает получение эффективной длины волны пирометра 0.65±0.01 мкм, что приводит к совпадению показаний фотоэлектрического пирометра с показаниями визуального оптического пирометра.

Пирометры спектрального отношения

Пирометры данного типа измеряют цветовую температуру объекта по отношению  интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра, каждая из которых характеризуется эффективной  длиной волны  , .

На (рис. 13) приведена схема двухканального пирометра спектрального отношения (ПСО), в котором преобразование энергии получения в электрические сигналы производится с помощью двух кремниевых фотодиодов. Поток излучения от объекта измерения 1 с помощью оптической системы, состоящей из линз 2, апертурной и полевой диафрагмы 3, передается на интерференционный светофильтр 4. Последний обеспечивает выделение двух потоков, каждый из которых характеризуется собственным спектром. Данные потоки попадают на кремниевые фотодиоды 7, которые преобразуют излучение в фототок, протекающий через сопротивление R₁ и R₂, включенные в измерительную схему вторичного регистрирующего прибора – логометра. Разность падений напряжений на сопротивлениях подается на вход усилителя 5, выходной сигнал которого поступает на реверсивный двигатель 6, перемещающий движок реохорда R₂ и стрелку относительно шкалы наступления баланса, соответствующего измеряемой температуре.

Интерференционный фильтр 4 является полупрозрачным зеркалом, имеющем высокий коэффициент  пропускания в одной и высокий  коэффициент отражения в другой области спектра. Зеркало 8 и окуляр 9 обеспечивают визуальную наводку объектива пирометра на объект измерения. Для уменьшения погрешности от влияния окружающей температуры фильтр 4 и приемники излучения 7 помещены в термостат.

ПСО используются для измерения температур твердого и расплавленного металла в широком интервале температур от 300 до 2200 ⁰С и имеют класс точности 1 и 1.5 (в зависимости от предела измерения). Данные пирометры имеют в 3-5 раз меньшую методическую погрешность, связанную с изменением степени черноты излучателя. На их показания значительно меньше влияют поглощения промежуточной среды. Однако в тех случаях, когда объект характеризуется селективным излучением (степень черноты при одной и той же температуре резко изменяется с длиной волны), погрешность ПСО может быть выше погрешности пирометров излучения других типов. ПСО более сложны и менее надежны, чем другие приборы.

Пирометры суммарного излучения

Пирометры суммарного излучения измеряют радиационную температуру тела, поэтому  их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона 
Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн, а значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0.4¸2.5, а для плавленого кварца 0.4¸4 мкм.

Датчик пирометра выполняется  в виде телескопа, линза объектива  которого фокусируется на термочувствительном  приемнике излучения нагретого  тела. В качестве термочувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводниковые), биметаллические спирали и т. п. Наиболее широко применяются термобатареи (рис. 14 а), в которых используется 6-10 миниатюрных термопар (например, хромель-копелевые), соединенных последовательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы 4 термопар 2. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам 1, закрепленным на слюдяном кольце 3. Металлические выводы 5 служат для присоединения к измерительному прибору, в качестве которого обычно используются потенциометры или милливольтметры.

Рабочие концы термопар поглощают  падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне  зоны потока излучения и имеют  температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает  термо-ЭДС, пропорциональную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при температуре корпуса 20±2 ⁰С, поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемника излучения и к появлению значительных дополнительных погрешностей. Так, при температуре корпуса 40 ⁰С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4 ⁰С. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устройствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.

На (рис. 14б) показано устройство телескопа ПСИ. Он включает: корпус 1 с диафрагмой 7; объектив, имеющий стеклянную или кварцевую линзу 2, устанавливаемую во втулке 13, ввинчиваемой в корпус; блок термобатареи, состоящей из самой термобатареи 3, корпуса 5, отростка, на который навинчивается подвижная диафрагма 6, и контактных винтов 10; компенсационное медное сопротивление 4, шунтирующее термобатарею и обеспечивающее уменьшение влияния измерений температуры телескопа на показания пирометра; окуляр, включающий линзу 8 и защитное стекло 9. Фланец 11 служит для крепления корпуса к защитной арматуре, обеспечивающей работу пирометра в тяжелых условиях металлургического производства.