новая папка 1 / 302118

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра теплофизики

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАДИАЦИОННЫМИ ПИРОМЕТРАМИ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Теплотехнические измерения»

Составитель С.В. СКАКОВ

Липецк

Липецкий государственный технический университет

2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИ-

ТЕТ»

Кафедра теплофизики

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАДИАЦИОННЫМИ ПИРОМЕТРАМИ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Теплотехнические измерения»

Составитель С.В. СКАКОВ

Липецк

Издательство ЛГТУ

2014

УДК 502(7)

С422

Рецензент – А.Ю. Кривцов, канд. техн. наук, доц.

Скаков, С.В.

С422 Измерение температуры радиационными пирометрами [Текст]: методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Теплотехниче-

ские измерения» / сост. С.В. Скаков. – Липецк : Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2014. – 16 с.

Приведено описание бесконтактных методов измерения температуры,

принципа работы и конструкции переносного радиационного пирометра. Методические указания рекомендованы студентам-бакалаврам, обучаю-

щимся по направлению 150400.62 «Металлургия» профиля подготовки «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей» для выполнения лабораторной работы по учебной дисциплине «Теплотехнические измерения».

Табл. 2. Ил. 4. Библиогр.: 2 назв.

©ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014

©Скаков С.В., составление, 2014

Цели работы:

1.Изучение методики измерения температуры тел по их тепловому излучению;

2.Ознакомление студентов с принципом работы и конструкцией переносного радиационного пирометра;

3.Экспериментальное изучение влияния расстояния до излучателя на погрешность определения радиационной температуры.

Общие сведения

Совокупность методов измерения температуры нагретых тел по их излучению называется пирометрией. Существует два основных способа пиромет-

рии: радиационный и спектральный. Радиационная пирометрия использует зависимость интегральной энергетической яркости излучения от температуры в относительно широком диапазоне длин волн – как правило, в инфракрасном диапазоне. Спектральная пирометрия основывается на зависимости спектральной характеристики излучения от температуры в диапазонах инфракрас-

ного излучения и видимого света, другими словами, на зависимости цвета излучения от температуры. При этом анализируемый диапазон длин волн относ и- тельно узок, что позволяет уменьшить влияние коэффициента излучения поверхности тел на точность измерений.

Средства измерения температуры тел по тепловому излучению принято называть пирометрами излучения или просто пирометрами.

При измерении температуры с помощью пирометров температурное поле объекта не искажается, так как измерение, осуществляемое методами пирометрии излучения, не требует непосредственного соприкосновения с телом какогото теплоприемника. Поэтому такие методы принято называть бесконтактными.

Основное назначение пирометров – дистанционное определение температуры различных объектов. Чаще всего они используются там, где контактное

3

измерение температуры замедляет технологический процесс или вовсе не представляется возможным, например в металлургии, металлообрабатывающей или нефтеперерабатывающей промышленности.

Все методы измерения температуры нагретых тел по их излучению базируются на закономерностях (закон Планка, закон Стефана-Больцмана, уравне-

ние Вина), которые полностью справедливы только для абсолютно черных тел. Свойства абсолютно черного тела таковы, что оно поглощает всё тепловое излучение, падающее на него. Такие тела не встречаются в природе (ближайшим по свойствам является Солнце), но возможно создание модели черного тела с достаточной степенью приближения.

Измерение температуры реальных тел с использованием зависимостей для абсолютно черного тела приводит к возникновению ощутимой разницы между результатом измерения и действительной температурой тела, которую можно получить каким-нибудь контактным методом. Это отличие подчеркивается особенными названиями результатов таких измерений: радиационная, яр-

костная или цветовая температура.

Радиационная температура реального тела TР – это такая температура абсолютно черного тела, при которой его полная энергетическая яркость равна полной энергетической яркости реального тела при действительной температуре TД .

Согласно этому определению запишем

где B(TД ) – полная энергетическая яркость реального тела при действи-

тельной температуре TД , Вт/(ср∙м2);

4

B0 (TР ) – полная энергетическая яркость абсолютно черного тела при ра-

диационной температуре TР , Вт/(ср∙м2);

r B(T ) B0 (T ) 1 – полный коэффициент излучения, учитывающий от-

личие полной энергетической яркости реального и абсолютно черного тела;

1,8047 Вт/(ср∙м2∙К4) – постоянная излучения, входящая в формулу за-

0

кона Стефана-Больцмана, связывающего полную энергетическую яркость абсо-

лютно черного тела с его температурой.

Формула (3) позволяет вычислить действительную температуру тела TД ,

если известны его радиационная температура TР и коэффициент излучения r .

Коэффициенты излучения для некоторых материалов приведены в прил. 2. Наиболее распространенным классом среди бесконтактных приборов яв-

ляются инфракрасные пирометры, использующие метод радиационной пиро-

метрии (другие названия – инфракрасный термометр или инфракрасный радиометр). Конструктивно такой пирометр представляет собой пирометрический преобразователь и устройство отображения информации, аналоговое или циф-

ровое. Принципиальная схема переносного инфракрасного пирометра представлена на рис.1.

Процесс измерения температуры происходит следующим образом: поток теплового излучения от тела 1, сфокусированный оптической системой пирометра 2, падает на датчик 4 (первичный пирометрический преобразователь), в

результате на выходе датчика образуется электрический сигнал, пропорцио-

нальный значению температуры объекта измерения. Этот сигнал попадает на вход электронного преобразователя 5 (вторичного пирометрического преобра-

зователя) и далее – в измерительно-счетное устройство, где обрабатывается в соответствии с настройкой пирометра. Результат отображается на индикаторе 6

(индикация у современных пирометров, как правило, цифровая). Таким обра-

зом, чтобы получить относительно точное значение температуры объекта, пользователю нужно лишь навести пирометр на объект измерения и нажать на

5

кнопку 8. Питание переносного пирометра осуществляется от аккумуляторной батареи 7. В некоторых моделях пирометров предусмотрено наличие корректи-

рующего устройства 9, которое позволяет учитывать (непосредственно при из-

мерениях) величину коэффициент излучения r . Для облегчения процесса ви-

зирования на объект измерения пирометры снабжаются различными приспо-

соблениями, такими как, например, лазерный целеуказатель 3. Если пирометр предназначен для измерения температур свыше 1000°С, то он, как правило,

снабжается специальным оптическим видоискателем, так как лазерный луч плохо различается на раскаленных поверхностях.

Предел допустимой основной абсолютной погрешности радиационных пирометров в области температур от 500 до 1000°С составляет 7-30°С.

Рис. 1. Принципиальная схема переносного радиационного пирометра:

1 – нагретое тело; 2 – оптическая система пирометра; 3 – лазерный диод системы целеуказания; 4 – оптико-электрический преобразователь; 5 – электронный преобразователь-вычислитель; 6 – аналоговое или цифровое устройство отоб-

ражения информации; 7 – блок питания пирометра (аккумуляторная батарея); 8 – кнопка включения прибора; 9 – устройство коррекции показаний

6

Диапазон измеряемых температур для конкретной модели пирометра определяется рабочей длиной волны. Пирометры, предназначенные для измерения высоких температур, работают на более коротких волнах, поскольку с ростом температуры спектр излучения смещается в сторону высоких частот.

Большое значение при выполнении измерений радиационным пиромет-

ром имеет правильный выбор расстояния до контролируемого объекта. Определить максимальную величину этого расстояния помогает такая характеристика оптической системы пирометра, как показатель визирования:

где D – диаметр поля зрения пирометра, т.е. площадки, излучение с которой попадает в оптическую систему прибора, м;

L – расстояние от поля зрения пирометра до объектива пирометра, м. Для современных пирометров величина n находится в пределах от 2:1 (специальные широкоформатные пирометры) до 1:600 (пирометры, предназна-

ченные для измерений на больших расстояниях).

Величину, обратную показателю визирования, называют оптическим разрешением пирометрического преобразователя.

В технической документации к пирометру обычно указывается конкрет-

ное значение номинального показателя визирования в виде дроби или приводится графическая диаграмма направленности (рис. 2).

Для получения верного значения радиационной температуры размеры объекта измерения должны быть больше, чем диаметр поля зрения пирометра на расстоянии, соответствующем расстоянию до объекта. В противном случае прибор начинает принимать излучение от других объектов, и это оказывает значительное влияние на результаты измерения. Максимальное расстояние, с которого все еще допустимо проведение измерений, определяется по формуле

где D0 – диаметр наибольшего круга, вписанного в проекцию контура из-

лучателя на плоскость, перпендикулярную оптической оси преобразователя, м.

7