Lab3.pdf

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

Kierunek: Elektrotechnika, semestr 3

Zastosowanie promieniowania optycznego

Laboratorium

Ćwiczenie nr 3

Temat: POMIAR TEMPERATURY PIROMETRAMI

1.Wiadomości podstawowe

Pirometr jest bezstykowym optycznym urządzeniem odbierającym promieniowanie

cieplne (radiacyjne) obiektu i służące do pomiaru temperatury powierzchni tego

obiektu. Tym samym jest to pewien rodzaj termometru, a dokładniej termometru

radiacyjnego.

Pirometr składa się z:

systemu optycznego,

detektora

układu pomiarowego z wyświetlaczem.

Zadaniem systemu optycznego jest skupić promieniowanie emitowane z badanej

powierzchni na detektorze. Zadaniem detektora jest przetworzyć padające

promieniowanie na elektryczny (np. na napięcie) sygnał użyteczny. Układ pomiarowy

przetwarza sygnał elektryczny na wskazania wielkości mierzonej.

Rys.1 Schemat budowy typowego pirometru

łówną zaletą pirometrów jest możliwość pomiaru zdalnego. Kontakt z

powierzchnią nie jest wymagany, badane jest tylko promieniowanie wysyłane przez

powierzchnię, której temperaturę należy zmierzyć. Stąd pirometrami mierzy się

temperaturę powierzchni trudno dostępnych, będących w ruchu, agresywnych

chemicznie, odległych lub powierzchni o najwyższych temperaturach. Dodatkową

zaletą jest też nie zakłócanie istniejącego pola temperatury oraz szeroki zakres i

możliwość pomiaru najwyższych temperatur.

Natomiast główne wady pirometrów to

zależność wyniku pomiarów od emisyjności i kierunkowości promieniowania

powierzchni,

- 1 -

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

duża czułość na zakłócenia (promieniowanie postronne, pochłanianie

promieniowania)

cena urządzenia.

Emisję promieniowania z powierzchni o temperaturze T (mierzonej w K) określa

prawo Stefana-Boltzmana, które dla ciała doskonale czarnego ( ε =1) ma postać:

P cc σ= (1)

gdzie S to pole promieniującej powierzchni, a to σ - stała Boltzmana równa 5.670

×10 −8 W·m -2 ·K -4 .

Widmowy (zależny od długości fali λ ) rozkład gęstości monochromatycznej mocy

promienistej (emitancji) powierzchni ciała doskonale czarnego o temperaturze T

przedstawia rys.2.

Rys.2 Zależność monochromatycznej emitancji energetycznej m cc ciała czarnego od długości fali λ wg Plancka.

Przyjmując za kryterium zakres wykorzystywanego przez pirometr widma

promieniowania można wyróżnić następujące typy pirometrów:

pirometry całkowitego promieniowania (radiacyjne): detektor jest czuły na

bardzo szeroki zakres promieniowania – reaguje na sygnał będący sumą

- 2 -

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

promieniowania o różnych długościach fal (teoretycznie od 0 do ∞).

Matematycznie odpowiada to całemu polu powierzchni pod jedną z krzywych

na rys.2,

pirometry pasmowe: detektor reaguje na promieniowanie z wybranego

zakresu (pasma) λ 1 – λ 2 . Odpowiada to polu powierzchni pod jedną z krzywych

na rys.2, ale tylko z zakresu λ 1 – λ 2 ,

pirometry barwowe (chomatyczne):

jednobarwowe (monochromatyczne)

dwubarwowe (bichromatyczne)

trójbarwowe (trichromatyczne) i wielobarwowe

w których, detektor jest czuły na jedną (dwie lub trzy lub więcej), określoną

długość fali λ ust . Sygnałem mierzonym jest wartość m( λ ust1 ) (lub np. m( λ ust1 ) i

m( λ ust2 )). Stosunek sygnałów m( λ usti ) pozwala określić temperaturę

powierzchni. Matematycznie odpowiada to np. stosunkowi m( λ 1 )/m( λ 2 ), który

można przeliczyć na temperaturę powierzchni T.

Poszczególne typy pirometrów charakteryzują się następującymi właściwościami:

Pirometry całkowitego promieniowania : proste urządzenia, czułe w zakresie od

0.3 µ m do 2.5 – 20 µ m. Zakres czułości określa jakość układu optycznego (zwykłe

szkło przepuszcza promieniowanie do 2.5 µ m, szkło kwarcowe do 4 µ m, kryształy

fluorku potasu do 10 µ m, siarczek cynku w zakresie 8-14 µ m). Wskazania zależą od

emisyjności promieniującej powierzchni, skalowane są zwykle dla jednej lub kilku

wartości ε. Błąd wynikający z niepoprawnego wyboru wartości emisyjności

promieniującej powierzchni korygować należy worem:

T ⋅

≈

ε w

(2)

gdzie T m to temperatura wskazywana przez przyrząd, ε w emisyjność dla której

pirometr był wzorcowany (zwykle ε w =1), a T rzeczywista temperatura powierzchni.

Typowe zakresy pomiarowe takich pirometrów to 100-600 o C i 600-2000 o C, przy

dokładności wskazań 0,5-2% skali pomiarowej. Zanieczyszczenia układu

optycznego, dym, mgła, para wodna, pyły znacząco pogarszają dokładność pomiaru.

Pirometry pasmowe : Filtry ograniczają promieniowanie padające na detektor do fal

z określonego wąskiego zakresu ∆λ. Odpowiedni dobór zakresu pozwala na

wyeliminowanie zakłóceń powodowanych np. parą wodną lub dwutlenkiem węgla.

Wzór określający poprawną wartość mierzonej temperatury ma postać:

≈

⋅

(3)

∆

gdzie n=(5-12) w zależności od typu pirometru. Typowe zakresy mierzonej

temperatury to (–32-4000) o C, przy zakresach czułości ∆λ 8-14 µ m (dla zakłóceń

atmosferycznych), ok. 5 µ m (dla powierzchnie szkła), 3.86 (przy pomiarze w

obecności płomienia i spalin silnikowych). Uzyskiwane dokładności wskazań to 0.25-

2% skali pomiarowej.

- 3 -

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

Pirometry barwowe: Są to najczęściej pirometry dwubarwne. Czułość tylko na

określoną długość fali uzyskuje się bądź przez układ filtrów wyodrębnia z widma

porządaną długości fal, bądź stosując detektor czuły tylko na bardzo wąski zakres

widma (0.1-0.2 µ m). Mierzone długości fal to najczęściej tzw. efektywne długości fal

(0.65, 1, 1.5, 1.55, 1.6, 2.5, 2.8, 4 µ m).

Pirometry dwubarwowe: Są przyrządami najpopularniejszymi spośród

pirometrów barwowych. Wyznaczana jest w nich wartość monochromatycznej

gęstości emitancji m( λ ) dla dwóch różnych długości fal, a następnie stosunek

m( λ 1 ) / m( λ 2 ) przeliczany jest na temperaturę mierzonej powierzchni.

Funkcja określająca poprawną wartość mierzonej temperatury ma w tym

przypadku postać:

T = (4)

która dla układów w których emisyjność mierzonej powierzchni nie zależy od

długości fali ( ε 1 (T)= ε 2 (T)= ε(Τ) – tzw. ciało szare) przekształca się w prostą

zależność:

(

)

T = (5)

Tak więc podstawową zaletą pirometrów dwubarwnych jest to, że dokładność

ich wskazań nie zależy od zmian emisyjności (jeśli są takie same dla każdej

długości fali), kierunkowości promieniowania, od zakłóceń atmosferycznych,

ograniczeń wielkości powierzchni.

Typowe zakresy mierzonej temperatury to (900-3000) o C lub (50-3700) o C, przy

dokładnościach 0.5-2% zakresu pomiarowego.

Pirometry wielobarwowe: pozwalają na dokładną analizę temperatury

powierzchni przy braku wstępnej informacji o emisyjności tej powierzchni. W

skład tego typu mierników wchodzi układ podziału wiązki padającego

promieniowania na sygnały odpowiadające mierzonym zakresom ∆λ, układ

równolegle działających detektorów dla pomiaru tych sygnałów oraz układ

obliczeniowy którego zadaniem jest wyznaczyć mierzona temperaturę.

Pirometry optyczne to podgrupa pirometrów jednobarwowych. Działanie ich

polega na porównaniu przez obserwatora promieniowania (dokładniej

jaskrawości) powierzchni obiektu z promieniowaniem (jaskrawością)

wzorcowym. Długość fali dla której przeprowadzane jest porównanie leży w

zakresie promieniowania widzialnego lub w bliskiej podczerwieni. Typowa

wartość to λ =0.65 µ m. Typowe zakresy mierzonej temperatury to (900-

3000) o C, przy dokładnościach 1-2% zakresu pomiarowego.

Spotyka się także pirometry tego typu (działanie polegające na porównaniu przez

obserwatora jaskrawości obiektu i wzorca) wykorzystujące cały zakres

promieniowania widzialnego. Jest to podgrupa pirometrów całkowitego

promieniowania.

Ważnym czynnikiem zapewniającym poprawność pomiarów jest takie

zbudowanie układu pomiarowego, aby pole widzenia pirometru (powierzchnia z

której promieniowanie jest uwzględniane) było jednolite. Sprowadza się to zwykle do

wyznaczenia właściwej odległości pirometru od mierzonej powierzchni i porównaniu

wymiarów mierzonej powierzchni z polem widzenia pirometru.

- 4 -

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

2. Charakterystyki badanych pirometrów

2.1 Pirometr PT 3LF

Podstawowe dane:

zakres: -20 + 400 o C

emisyjność: nastawiana 0.95

lub 0.70

pasmo pomiarowe: 8-14 µ m

czas pomiaru: 1s

Rys.3 Charakterystyka geometrii układu optycznego pirometru PT-3LF

2.1 Pirometr IR Miniray100

Podstawowe dane:

zakres: -23 +520 o C

emisyjność: nastawiana od

0.30 do 1.00 co 0.01

pasmo pomiarowe: 8-14 µ m

czas pomiaru: 0,5s

Rys.4 Charakterystyka geometrii układu optycznego pirometru Miniray 100

2.1 Pirometr GSP 1871

Podstawowe dane:

zakres: 600 +1200 o C

emisyjność:1.00

pasmo: 0.3-2.7 µ m

czas pomiaru: 0,2s

Rys.5 Charakterystyka geometrii układu optycznego pirometru GSP 1871

- 5 -

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: