пренебречь. Если нельзя провести измерение температуры сквозь смотровое стекло и без него, то следует использовать другое стекло, идентичное смотровому по материалу и толщине.

Поправка А сохраняется, пока смотровое стекло остается чистым (это необходимо периодически проверять). Прн изменяющихся загрязнениях стекла учет влияния поглощения излучения в нем затруднителен. Для уменьшения скорости загрязнения полезно смотровое стекло снабдить заслонкой, открываемой только на время измерения.

Влияние смотрового стекла на показания пирометров частичного или полного излучения осложняется из-за вариации эффективной волны излучателя и селективностн стекол на широком спектральном участке, используемом пирометрами. Поэтому определение поправки А следует проводить при иесколью.х значениях температуры в рабочем диапазоне с целью обеспечения возможности интерполяции поправок. Не следует преувеличивать универсальность получаемых таким образом поправок: они неизбежно зависят от материала и толщины смотрового стекла.

Погрешность пирометра, обусловленная неоднородностью температуры объекта. При эксплуатации квазимонохроматического пирометра или пирометра полного излучения его поле зрения должно быть целиком заполнено раскаленным изотермическим телом, температуру которого измеряют. Для пирометров спектрального отношения возможно частичное перекрытие используемых лучей в пределах, определяемых минимально допустимым для работы пирометра уровнем яркости объекта - уровнем светового потока, необходимого для неискаженной работы пирометра. Последнее условие относится ко всем случаям, когда раскаленное тело не полностью перекрывает поле зрения пирометра, например, поле зрения пирометра частично перекрывают холодные детали оборудования (витки индуктора высокочастотной печи и т. д.), вещества, связанные с ходом технологического процесса (отслаивающиеся и остывающие оксиды), или сами раскаленные тела имеют небольшие размеры либо их положение в поле зрения пирометра не строго фиксировано. В указанных случаях применение квазимонохроматических пирометров и пирометров полного излучения вызывает большие погрешности, влияющие на результаты измерения. Погрешность, обусловленная частичным заполнением поля зрения пирометра спектрального опюшения, принципиально не влияет на его показания, если световой поток достаточен для корректной работы электрической схемы пирометра. Поэтому в цветовые пирометры предпочтительны для измерения с неполным использованием поля зрения.

Эффективные расчеты лучистого баланса между объектом измерения и приемником пирометра в общем представляют сложную задачу, решение которой практически целесообразно лишь в узком диапазоне простейших случаев. В табл. 13.7 приведены результаты экспериментальных расчетов для случая, когда одна половина поля зрения пирометра занята поверхностью, имеющей температуру Tj, а другая - поверхностью, имеющей температуру Т- Разность температур поверхностей составляет 100 и 300 К. При сравнительно небольшой неоднородности температуры объекта показания всех пирометров близки к средней температурев пределах поля зрения пирометра, но остаются несколько выше ее вследствие нелинейности уравнения лучистого баланса.

Из анализа предельного перехода fj ->- следует, что при уменьшении неоднородности температуры объекта показания всех пирометров стремятся к его средней температуре; при увеличении неоднородности температуры показания пирометров полного излучения и инфракрасных квазимонохроматических пирометров остаются по-прежнему близкими к средней температуре и слегка превышают ее; показания квазимонохроматических пирометров, действие которых ограничено видимой частью спектра, и особенно показания пирометров спектрального отношения, приближаются к максимальной температуре в пределах поля зрения пирометров.

Показания пирометров полного излучения и инфракрасных квазимонохроматических пирометров приближаются к средней неоднородной температуре, что обусловлено законом Рэлея - Джинса. Последний действителен при линейной связи между интенсивностью излучения и температурой. На этом основаны известные рекомендации о применении инфракрасного излучения при измерении средней температуры неоднородных пламен. Пирометры полного излучения или инфракрасные квазимонохроматические пирометры также предпочтительны для измерения средней температуры в условиях иеизотермичности.

Приближенность показаний коротковолновых квазимонохроматических пирометров и пирометров спектрального отношения к максимальной

Таблица 13.7. Показания пирометров при ступенчатой неоднородности температурного поля поверхности, К

Полного излучения Квазимоиохроматический

Спектрального отношения

0...СО 0,48 0,65 2 50

0,48 и 0,65 0,80 и 1,20

1552 1560 1555 1552 1572 1555

1590 1640 1620 1575 1690 1660

температуре объясняется резким увеличением интенсивности излучения с возрастанием температуры, соответствующим закону Вина. Для пирометров спектрального отношения это обусловлено тем, что величина излучения более холодных участков измеряемого объекта слабо влияет на спектральное отношение интенсивностей, определяемое главным образом наиболее нагретыми участками. Поэтому, когда иа раскаленной поверхности имеются частично отслаивающиеся и остывающие оксиды, экранирующие поверхность, предпочтительным для измерения температуры является применение коротковолновых квазимонохроматических пирометров, особенно пирометров спектрального отношения. Для контроля температуры местных перегревов свода печи целесообразно применение широкоугольных пирометров спектрального отношения, действие которых ограничено применением коротковолновых лучей. То же относится к измерению максимальной температуры неоднородного объекта.

Погрешность пирометра, обусловленная посторонним излучением. При измерении температуры нагретого тела в условиях, когда температура окружающих тел близка к измеряемой температуре или выше ее. излучение окружающих тел, отражаясь от испытуемого и попадая в пирометр, может существенно влиять на его показания, например при измерении температуры тела, нагреваемого в печи, когда температура ее раскаленных стенок заметно превышает температуру объекта.

В общем случае яркость тела, воспринимаемая пирометром с учетом отраженного излучения окружающих тел, определяется уравнением

i sM = IT J *> Ро

где 8 - коэффициент излучательной способности объекта; L° - яркость черного тела при температуре, равной температуре нагреваемого объекта;

п, dQ - углы падения лучей от окружающих тел на поверхность объекта; Lq яркость окружающих тел.

Если посторонние тела имеют одинаковую температур) Т н окружают измеряемый объект со всех сторон, то их излучение эквивалентно излучению черного тела. Частным случаем такой постановки вопроса является измерение температуры тела, расположенного в нагревательной печи. В первом приближении считается, что все стенкн печи имеют одинаковую температуру и образуют замкн>тую полос1Ь, охватывающую нагретое тело со всех сторон. Поскольку обычно нагреваемые объекты непрозрачны (8=1- р), яркость раскаленного тела при температуре Т с учетом отраженного излучения окружающих пнешних тел определяется по формуле

(13.19)

где - яркость черного тела при температуре Тд. Это уравнение можно переписать в виде

е+(1-е)-

(13.20)

Подставляя в формулу (13.20) выражение для определения яркости по закону Стефана - Больцмана, получаем уравнение, описывающее показа-йия пирометра полного излучения в приведенных условиях:

V

8 -f (1 - е)

(13.21)

Подставляя в формулу (13.20) выражение для определения яркости по закону Вина, получаем уравнения, описывающие соответственно показания квазимонохроматического пирометра и пирометра спектрального отношения:

--- In

е -f (1 - Е) ехр

(\3.22)

К - >-1

(13.23)

Условие р = 1 - 8 справедливо только для непрозрачных тел и для квазимоиохроматического излучения. При определении погрешностей нм можно пренебречь, допуская, что уравнения (13.21) - (13.23) могут оказаться несколько неточными для объектов, излучение которых в рабочем спектральном диапазоне пирометра селективно.

Погрешиости измерения температуры тел в печи даны на рис. 13.6, где показания пирометров, измеряющих температуру тела в печи по видимому и полному излучению, приведены в виде функции температуры стенок печи при постоянной действительной температуре тела, равной 1500 К. Показания пирометра спектрального отношения приведены для случая серого тела (к = 0,45,1 = 0,65). Как видно из рисунка, показания пирометров приближаются к температуре печи. Следовательно, температура деталей, нагреваемых в печи, почти не поддается измерению пирометрами излучения, особенно при неоднородной температуре стенок печи. Если излучение стенок обеспечивает интенсивный нагрев деталей, то оно неизбежно влияет иа точность показаний пирометров и тем боль-

ше, чем меньше эффективная степень черноты объекта. Поэтому при определетши температуры в процессе нагрева алюминиевых заготовок появляются большие погрешности.

В принципе не исключено экспериментальное определениеотдельных

величин, входящих в правую часть уравнения (13.19): (1 - г) LqUzL. Решив соответствующую систему уравнений, можно определить поправки н в дальнейшем вносить их в показания пирометра. Однако при такой мсто-

1700

Рис. 13.6. Зависимость изменения значений погрешностей при измерении температуры деталей, находящихся в печи:

/ - пирометром полного излучения; 2 - квазнмонохроматическим пирометром; 3 - пирометром спектрального отношения

дике неизбежно возникают погрешности из-за нестабильности коэффициента излучательиой способности деталей, а также из-за нестабильности и неоднородности температуры печи. Эти погрешности невозможно уменьшить ввиду больших поправок.

Эффективная длина волны в пирометрии. Сигнал, возникающий в при миике пирометра, как мера температуры объекта, определяется температурой объекта, спектральной характеристикой его излучения, спектральной чувствительностью самого приемника пирометра.

Рис. 13.7. Блок-схема пирометра:

/ - селективный фильтр; 2 - вторичный прибор; 3 - объектив; 4 - ослабляющее устройство; б - приемник излучения; 6 - поле наблюдения; 7 - поле измерения, влияющее иа энергетическую освещенность приемника излучения;

8 - объект измерения, создающий энергетическую освещенность приемника;

9 - показатель визирования (отношение Ь/а).

На спектральную характеристику излучения объекта оказывают влияние спектральные характеристики составных частей пирометра (линз, зеркал и т. д.). Область спектра излучения в пирометрах может ограничи-йаться или вырезаться встроенными в них селективными фильтрами. Во

всем спектральном диапазоне такие средства ослабления потока излучения, как вращающиеся сектора, диафрагмы и серые стекла, поглощают излучение объекта измерения на некоторую постоянную величину. На рис. 13.7 показана блок-схема пирометра. При помощи серых клиньев н поляризационных фильтров излучение в пирометре ослабляется по определенному закону. Такие приемники излучения, как черненые термобатареи или болометры, являются серыми или черными приемниками, и сигналы, возникающие в них, не зависят от длины волны падающего потока излучения. Фотоэлементы и фотосопротивления являются селективными приемниками и имеют спектральную характеристику чувствительности, форма и ширина которой определяются свойствами приемника. Состав и характеристики излучения объекта изменяются также вследствие отражений в оптических конструкциях пирометров.

В пирометрической практике измерение температуры обычно не заканчивается отсчетом по шкале пирометра. Определение искомой температуры тела требует дальнейших расчетов, основанных на законах теплового излучения и на спектральных характеристиках аппаратуры. Такие расчеты существенно упрощаются при монохроматическом излучении.

Длину волны, позволяющую при пирометрических расчетах заменить излучение в определенном спектральном диапазоне квазимонохроматическим излучением, называют эффективной длиной волны {к). Для квазимонохроматических пирометров характерна одна единственная Лд, при которой зависимости спектральной плотности излучения или яркости от температуры для черного тела изменяются так же, как и аналогичные зависимости указанных величин, измеренных пирометрами. Эффективная длина волны не зависит от температуры, если половина полосы пропускания фильтра меньше 5 им. Эффективную длину волны можно определить графическим интегрированием и вычислением координаты центра тяжести площади, ограниченной кривой пропускания фильтра.

Замена излучения конеч1юго участка спектра на монохроматическое !1 определение эффективной длины волны неприемлемы при проведении абсолютных энергетических расчетов. Введение с соответствующим упрощением ее вычисления допустимо только при относительных расчетах, связанных с определением отношений световых потоков илн относительного изменения светового потока при изменении условий измерения. Тсо ня эффективной длины волны детально разработана применительно к точной (в пределах возможности человеческого глаза) визуальной пирометрии сравнения. Пирометры частичного излучения, действие которых ограничено сравнительно узким участком спектра, по свойствам можно отнести к квазимонохроматическим и, следовательно, распространить на них выводы теории эффективной длины волны, разработанные для визуальной пирометрии. Если действие пирометра частичного излучения ограничено более широким участком спектра (несколько десятых долей микрометра или больше), то его эффективная длина волны, рассчитанная по формулам визуальной пирометрии, оказывается нестабильной и значительно зависит от индивидуальных спектральных характеристик излучателя, особенно от значений его температуры.

В технических пирометрах выборрабочего участка спектра обусловлен необходимостью наибольшей точности измерения действительной температуры реальных объектов. В каждом случае рабочий участок спектра определяется присущими только ему разнообразными условиями измерения и не может быть полностью связан с понятием эффективной длины волны. Ширина рабочего учасхка спектра также зависит от условий эксперимента, что в значительной мере определяет чувствительность прибора. Однако проблема эффективности длины волны накладывает определенные ограничения на ширину рабочего участка.

Индивидуальные спектральные характеристики фотоэлементов многих типов отличаются одна от другой значительно больше, чем оптические

возможности человеческого глаза отличаются от кривой средней видимости . Это часто обусловливает различия отдельных типов пирометров и отдельных образцов пирометров одного и того же типа.

Проблема эффективной длины волны для пирометров спектрального отношения возникает по тем же причинам, что и для квазимонохроматических пирометров. Однако методы решения этой проблемы для пирометров спектрал.ного отношения отличны от методов, применяемых для квазимонохроматических пирометров. Эффективная длина волны для пирометров спектрального отношения рассчитывается по тем же формулам, что и для квазимонохроматических пирометров. В пирометре спектрального отношения отдельно для каждого из световых потоков измеряют нх отношение.

13.5. Оптические пирометры с исчезающей нитью

Квазимонохроматические визуальные пирометры широко применяются для измерения яркостиых температур выше 800 °С в производственных и лабораторных условиях [802, 892]. При использовании их для регистрации или автоматического регулирования температуры появляется ряд практических трудностей.

/ 2 3 4 5 6 7 8

Рис. 13.8. Схема квазимонохроматического визуального пирометра:

] - излучатель: 2 - лииза объектива; 3 - поглощающее стекло: 4 - диафрагма; 5 - пирометрическая лампа; 6 - диафрагма; 7 - красный светофильтр; 8 - окуляр; 9 - показывающий прибор; 10 - источник тока; - реостат; а - иить накала иедогрета; б - нить накала перегрета; в - нить иакала имеет температуру, соответствующую температуре объекта измерения

Принцип действия оптических пирометров основан на зависимости квазимонохроматической яркости черного тела от температуры, выражаемой законом Вина, При измерении температуры пирометром яркость излучателя сравнивается с яркостью калиброванного источника излучения, встроенного в пирометр. Из рис, 13,8 видно, что изображение излучателя при помощи линзы объектива пирометра фокусируется в Плоскости нити пирометрической лампы. Наблюдатель через окуляр и красный светофильтр видит нить лампы на фойе изображения излучателя. Регулируя реостатом силу тока, проходящего через лампу от источника Toifa, наблюдатель плавно изменяет яркость нити до уравнения с видимой яркостью излучателя. При равенстве яркостей излучателя и нити последняя исчезает на фоне изображения излучателя. Исходя из равенства величин яркостей можно сделать заключение о равенстве яркостиых температур излучателя и нити лампы. Выполненная заранее калибровка, при которой определяется зависимость