датчики положения. датчикм положения. Датчики положения
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
Инфракрасные датчики Серьезным недостатком рассмотренных выше датчиков является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, непосредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и в агрессивных средах. От этих недостатков свободны пирометры – бесконтактные датчики температуры. Пирометры измеряют температуру поверхности на расстоянии. Принцип из работы основан на том, что любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитную энергию. При низких температурах это излучение в инфракрасном диапазоне, при высоких температурах часть энергии излучается уже в видимой части спектра. Интенсивность излучения напрямую связана с температурой нагретого объекта. Диапазон измерений температур пирометрами от -45 до +3000 0С. Законы температурного излучения определены совершенно точно лишь для абсолютно черного тела. Зависимость спектральной светимости абсолютно черного тела от температуры и длины волны выражается формулой: Rα = Aα –5(eB/(αT) – 1) –1, где α – длина волны, T – абсолютная температура, A и B – постоянные. Для правильного измерения температуры необходимо учесть ряд факторов. Прежде всего, это излучательная способность. Она связана с коэффициентом отражения простой формулой: E = 1 – R, где Е – излучательная способность, R – коэффициент отражения. Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше интенсивности абсолютно черного тела при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением коэффициента неполноты излучения; его значение различно для разных физических тел и зависит от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов. У абсолютно черного тела излучательная способность равна 1. У большинства органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная способность находится в диапазоне 0,8 – 0,95. Металлы, особенно полированные, имеют низкую излучательную способность, которая в этом случае будет 0,1 – 0,2. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые. Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 0С, причем прибор измеряет интегральную интенсивность излучения реального объекта; в связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения. В типичный радиационный пирометр входит телескоп, состоящий из объектива и окуляра, внутри которого расположена батарея из последовательно соединенных термопар. Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объект измерения так, чтобы лепесток полностью перекрывался изображением объекта, и вся энергия излучения воспринималась термобатареей. ЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а, следовательно, и температуры тела. Радиационные пирометры градуируются по излучению абсолютно черного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполноты излучения вызывает погрешность измерения температуры. Яркостные (оптические) пирометры используются для измерения температур от 500 до 4000 0С. Они основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя (фотометрической лампы). Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив и окуляр. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело и добиваются четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Затем, изменяя яркость нити путем изменения тока через нее (или изменяя яркость изображения тела с помощью перемещаемого оптического клина), добиваются одинаковой яркости изображения нити и исследуемого объекта. Если яркость тела больше яркости нити, то нить видна в виде черной линии на ярком фоне. В противном случае заметно свечение нити на более бледном фоне. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такие пирометры называют также пирометрами с исчезающей нитью. Напряжение накала лампы (или положение оптического клина) характеризует температуру нагретого тела; для сравнения интенсивностей излучения лишь в узком диапазоне спектра используется специальный светофильтр. Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения промежуточной средой, через которую производится наблюдение. Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых, обычно, в красной или синей части спектра; они используются для измерения температуры в диапазоне от 800 до 4000 0С. Обычно цветовой пирометр содержит один канал измерения интенсивности монохроматического излучения со сменными светофильтрами. Главным преимуществом цветовых пирометров является то, что неполнота излучения исследуемого объекта не вызывает погрешности изменения температуры. Кроме того, показания цветовых пирометров принципиально не зависят от расстояния до объекта измерения, а также от коэффициента излучения в промежуточной среде, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн. Особенности применения пирометров 1. Для правильного измерения температуры необходимо определить и установить излучательную способность измеряемого объекта. Если значения будут выбраны неправильно, то температура будет измеряться неверно. Обычно показания занижаются. Так, если металл имеет излучательную способность 0,2, а на датчике установлен коэффициент 0,95 (он обычно используется по умолчанию), то при наведении на нагретый до 100 0С металлический объект датчик будет показывать температуру около 25 0С. Корректировать излучательную способность можно следующими способами: - определив ее для различных материалов по справочнику, - измеряя температуру поверхности альтернативным способом, например термопарой, вносить необходимые поправки, - при не очень высоких температурах можно окрасить специальной термостойкой черной краской измеряемую поверхность, - просверлить в объекте отверстие диаметром, соответствующим диаметру поля зрения пирометра и глубиной, не менее чем в пять раз больше диаметра. Измерить температуру внутри отверстия пирометром, считая излучательную способность торца отверстия равной 1. Затем навести пирометр на поверхность объекта, и добиться равенства показаний. 2. Между пирометром и объектом не должно быть препятствий, непрозрачных в рабочей области спектра, иначе показания будут занижены. Это относится к работе при наличии в воздухе пыли, дыма или пара, а также при загрязнении оптических поверхностей пирометра. 3. Необходимо, чтобы объект полностью перекрывал поле зрения пирометра. В противном случае поток теплового излучения от объекта уменьшится пропорционально сокращению перекрываемой объектом площади, а также на датчик пирометра будет попадать излучение заднего фона, что резко исказит результаты измерений. Поэтому измерение температуры малых объектов возможно только с близкого расстояния. Поле зрения пирометра характеризуется оптическим отношением – это отношение расстояния до объекта измерений к размеру области, с которой эти измерения ведутся. Например, оптическое отношение 10:1 означает, что на расстоянии 10 метров размер площади, с которой ведется измерение температуры, составляет 1 метр. Современные пирометры имеют оптическое отношение достигающие 500:1. Достоинства пирометров: малое время отклика, возможность измерения температуры движущихся объектов, измерение температуры в труднодоступных и опасных местах, измерение высоких температур, там, где другие датчики уже не работают, отсутствует непосредственный контакт с объектом. Недостатки: значительные размеры, высокая стоимость, измерение только температуры поверхности объекта, трудности полного учета связей между термодинамической температурой объекта и регистрируемой пирометром тепловой радиацией |