Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
46
ответствующий материал (фтористый кальций, сапфир, плавленый кварц).
6.2. Основные методы измерения температур
Объект, температуру Т которого хотят измерить, излучает в полусферу с единицы поверхности и в спектральном интервале шириной dX на длине волны X элементарный поток dФ:
dФ = Ex (T)dX = e(X,T)Ex(T)dX. (58)
Применяемый приемник излучения принимает элементарный поток d Ф d , являющийся частью К(Х) потока, излучаемого объектом:
dO = K(X)e(X,T)Ex „ (T)dX, (59)
где К(Х) зависит от оптики, связанной с приемником, геометрии системы объект - приемник (расстояния, размеры) и от поглощения излучения средой, в которой оно распространяется.
Приемник излучения с чувствительностью Sd (X) преобразует принимаемый поток в электрический сигнал U el (ток или напряжение), и, следовательно, для элементарного потока имеем:
dUe, = Sd(X)K(X)e(X,T)Ex,„ (T)dX. (60)
Это соотношение с учетом закона Планка устанавливает связь между температурой Т объекта и элементарным электрическим сигналом на выходе приемника излучения:
c dX
U = Sd(X)K(X)e(X,T)x5{exp{cjXT-1)} . (61)
Из последнего выражения видны трудности такого типа измерений, которые, в частности, требуют знания коэффициента e (X, T) объекта и
ослабления, вносимого средой, через которую проходит излучение.
Нужно также быть уверенным, что принимаемое излучение является тепловым излучением исследуемого объекта и к нему не прибавляется излучение, испускаемое другими объектами с различной температурой.
Пирометр полного излучения. Весь спектр теплового излучения объекта (на практике - его основная часть) принимается приемником в широкой полосе, для чего используется тепловой приемник излучения.
Электрический сигнал, выдаваемый приемником, определяется выражением: dUel = I Sd (X )K (X )e (X,T )Ex , n (T )dX. (62)
0
47
Если принять, что Sd, К, е не зависят от X, то по закону Стефана - Больц-
ГО
мана получим: dUel = SdK s(T) J EX n (T )dX =SdK s (T )oT4. (63)
0
На практике пирометр должен быть отградуирован в условиях его применения путем одновременного измерения Ud и Т (например, с помощью термопары, когда это возможно).
Когда пирометр градуируют с помощью черного тела, сигнал Uel соответствует Тп. Для реального тела со средним коэффициентом излучения 8, дающего тот же сигнал Uei, температура Т равна Tn / Vs .
Узкополосный (монохроматический) пирометр. Некоторая часть теплового спектра излучения объекта на длине волны X^ имеющая ширину AX, выделяется с помощью оптического фильтра и принимается фотоэлектрическим датчиком со спектральной чувствительностью, согласованной с этой длиной волны %о. Электрический сигнал Uel, выдаваемый приемником, описывается выражением:
X0 +AX /2
Ue, = J Sd (X )K (X )s (X,T )Ex ,n (T )dX. (64)
X 0-AX/2
Учитывая, что принимаемая полоса AX спектра узкая, можно полагать, что в ней практически X=X0, и, следовательно,
Sd(X) = Sd(X0), K(X) = K(X0), в(X,T) = в(X0,T),
откуда с учетом закона Планка
c AX
Ul = Sd (X 0 )K (X 0 )s(X 0,T) 5 { / /X T 1)} . (65)
X 0 {exp(c2/ X 0T -1)}
Для часто встречающегося случая, когда X 0T ? С2, exp (c2/ X 0 )T ? 1, получаем окончательно:
Ue, = Sd (X 0) K (X 0 )в (X 0,T )С1 exp(-C2 / X rjT )(aX / X 0).
Как указывалось выше, электрический сигнал Uei соответствует температуре Тп, когда пирометр градуируют с помощью черного тела. В случае, когда реальный объект имеет коэффициент излучения 8(Xо,T), его температура Т, соответствующая сигналу Uel, равна:
T =--------;----Ц-------;---7. (66)
1/Tn +(Xc/С2 )lg в (X 0,T) ' '
48
Бихроматический пирометр (пирометр спектрального отношения). Этот пирометр можно рассматривать как двойной монохроматический пирометр, использующий два соседних диапазона теплового излучения, которые центрированы на длинах волн X и и имеют одинаковую спектральную ширину ДА, полосы пропускания.
В соответствии с выражением для сигнала датчика в случае монохроматического пирометра будем иметь в этом случае для диапазона X.
(67)
(68)
Uek = Sd (*1 )K(*1)в(А.1,T)qexp(-c2 /X{T)Д/Xf), и для диапазона, центрированного в *2:
Uel, = Sd (X2 )K(X2 )в(*2,T)c,exp(-c2/*2T)(д*/*2).
В условиях измерения, когда длины волн *1 и *2 близки,
Sd (*1 ) = Sd (X2), K(X, ) = K(X2), e(X, ) = в(X2),
отношение сигналов, выдаваемых приемником излучения, равно
U
r =
el1
U
el2
X1
exp •
c2 [ 1 1 ]
T ,X 2 X1
(69)
Отношение r, вычисляемое по сигналам в аналоговой форме или с помощью логической схемы, зависит только от температуры Т объекта; оно, в частности, не зависит от коэффициента излучения объекта; в этом заключается большое преимущество данного типа пирометра. Области применения некоторых фотоэлектрических датчиков в оптической пирометрии представлены в таблице 6.
Таблица 6.
Области применения фотоэлектрических датчиков в оптической пирометрии.
Нижний предел измеряемых температур, °С Датчик
Фотодиоды
600 Si
200 Ge
Фоторезисторы
100 PbS
50 PbSe
0 InSb
-50 HgCdTe
6.3. Бесконтактный низкотемпературный термометр
Функциональная схема бесконтактного низкотемпературного датчика для измерения температуры поверхности различных объектов, представлена на рис. 22. Принцип действия прибора [6] основан на методе пиро-
