Вимірювання температури на рухомих тілах, оптична пірометрія - метеорологічні датчики

Вимірювання температури на рухомих тілах

При вимірюванні температури на зовнішній поверхні найбільш ефективний метод оптичної пірометрії. Коли ж потрібно виміряти температуру всередині рухомого тіла, датчик розміщують в точці вимірювання, і тоді основна складність полягає в способі передачі інформації до стаціонарної вимірювальної ланцюга. Можна запропонувати кілька рішень цієї проблеми.

1. Ковзні контакти в разі обертових деталей. Вони створюють небезпеку введення в вимірювальну ланцюг змінних опорів контакту, паразитних е. д. з. термоелектричної природи і шуму.

2. Обертовий трансформатор. Первинна обмотка - індуктор - розміщується на поворотній деталі і з'єднана з термопарою; протікає по ній струм залежить від температур вимірювального і опорного спаев. Вторинна обмотка, яка нерухома, являє собою якір, з клем якого знімається напруга, залежне від е.р.с. Зеебека термопари з обертається обмоткою.

3. Пасивна індуктивний зв'язок. Розміщена на рухомій деталі ланцюг складається з котушки індуктивності, з'єднаної послідовно з термометром опору, наприклад термістором. Ця котушка періодично проходить між двома нерухомими котушками - передавальної, що живиться генератором, і приймальні, з'єднаної з вимірювальною установкою (рис. 2.3). Чим вище температура, тим менше опір термістора і тим більше загасання сигналу, сприйманого приймальні котушкою. Гідність цього методу полягає в простоті рухомих елементів, яка забезпечує надійність і стабільність роботи.

Мал. 2.3. Вимірювання температури в об'єкті, що рухається шляхом пасивної індуктивного зв'язку.

1 - термістор; 2 --катушка збудження; 3 - приймальня котушка.

Приклад метрологічних характеристик. Як приклад наведемо пристрій для вимірювання та візуальної реєстрації температури вкладиша шатунного підшипника методом пасивної індуктивного зв'язку (фірма С. М. R.). Воно має наступні метрологічні характеристики: діапазон вимірювання температур 75-125 ° C; кутова швидкість обертання 60ч-1200об / хв; напрямок обертання - будь; вплив зміни кутової швидкості - незначне; похибка ± 2 ° С; час встановлення 20-30 с.

оптична пірометрія

метеорологічний температура датчик вологість

Оптична пірометрія - це метод вимірювання температури, заснований на співвідношенні, що існує між температурою тіла і оптичним випромінюванням (інфрачервоним або видимим), яке цим тілом випускається. Датчики, що сприймають це випромінювання, є, отже, оптичними датчиками, фотоелектричними або тепловими. Однак, з огляду на важливість оптичної пірометрії для застосувань в промисловості, викладемо тут коротко фізичні принципи методу і процедур вимірювання. Перевагою оптичної пірометрії є те, що вона дозволяє визначити температуру об'єкта без контакту з ним. Таким чином, методи оптичної пірометрії є особливо придатними, коли умови експерименту не дозволяють використовувати класичні термометричні датчики. До таких умов відносяться:

-- дуже агресивне навколишнє середовище (хімічна промисловість);

-- матеріали, погано проводять тепло (пластмаси, скла, дерево);

-- рухомі тіла (наприклад, листовий матеріал в прокатному стані).

Коли температура досліджуваного об'єкта нерівномірна, оптична пірометрія дозволяє отримати карту розподілу температур (термографія).

Всі тіла спонтанно і безперервно випускають електромагнітне випромінювання, розподіл енергії в безперервному спектрі якого є функція температури - це теплове випромінювання. Випромінювання є наслідком викликаних тепловим збудженням радіаційних переходів в атомах і молекулах. Закони випускання цього випромінювання встановлені для ідеального випромінювача - абсолютно чорного тіла, що поглинає все падаюче на нього випромінювання; теплове випромінювання реального тіла в залежності від його коефіцієнта поглинання в більшій чи меншій мірі наближається до випромінювання абсолютно чорного тіла.

Закони теплового випромінювання абсолютно чорного тіла. Спектральна щільність енергетичної світності Їв, n-- це потужність, яку випромінює в півсферу з одиниці поверхні випромінювача на довжині хвилі л, в одиничному інтервалі довжин хвиль з центром в л. Енергетична світність Еn-- це повна потужність випромінювання, що випускається в півсферу з одиниці поверхні випромінювача:

Фундаментальний закон теплового випромінювання Планка визначає спектральну щільність енергетичної світності джерела, що є абсолютно чорним тілом, в функції довжини хвилі л і абсолютної температури Т цього джерела:

де c1 = 2рhc2 і c2 = hc / k; h = 6,6261 · 10-34 Вт · с2 - постійна Планка; c # 63; 2,998 · 108 м · с-1-- швидкість світла; k = 1,38066 · 10-23 Вт · з · К-1 - постійна Больцмана; величини c1 і с2 в системі СІ рівні з1 = 3,7418 · 10-16 Вт · м2, с2 = 1,4388 · 10-2 м · К.

На практиці частіше використовується закон Стефана - Больцмана, який виходить інтегруванням закону Планка і дає величину інтегральної енергетичної світності джерела з абсолютною температурою Т:

де у - постійна Стефана - Больцмана, яка виражається формулою у = 2р5k4 / 15c2h3 і, отже, чисельно дорівнює у = 5,67 · 10-12 Вт · см-2 · К-4. Встановлено, що понад 90% повної енергії випромінюється в діапазоні між л макс / 2 і 5 лмакс

Пірометр повного випромінювання. Весь спектр теплового випромінювання об'єкта (на практиці - його основна частина) приймається приймачем в широкій смузі, для чого використовується тепловий приймач випромінювання.

Вузькосмуговий (монохроматичне) пірометр. Деяка частина теплового спектру випромінювання об'єкта, центрована на довжині хвилі Л0 і має ширину Дл, виділяється за допомогою оптичного фільтра і приймається фотоелектричним датчиком зі спектральною чутливістю, узгодженої з цією довжиною хвилі ло. Електричний сигнал sel, що видається приймачем, описується виразом

Пірометр з зникаючою ниткою, або монохроматический пірометр (Л0 = 0,65 мкм). Зображення вольфрамової нитки лампи розжарювання накладається на зображення об'єкта. Струм If, що нагріває нитку, встановлюється таким, щоб її яскравість дорівнювала яскравості об'єкта; при цьому обидва зображення зливаються. Попередня градуювання за допомогою моделі чорного тіла (If = f (T)) дозволяє визначити коефіцієнт випромінювання об'єкта і отримати значення температури.

Біхроматична пірометр (пірометр спектрального відношення). Цей пирометр можна розглядати як подвійний монохроматический пірометр, який використовує два сусідніх діапазону теплового випромінювання, які центровані на довжинах хвиль Л1 і л 2 і мають однакову спектральну ширину смуги пропускання.

Відповідно до виразом для сигналу датчика в разі монохроматичного пирометра матимемо в цьому випадку для діапазону, центрована в Л1

і для діапазону, центрована в: