Методы и средства измерений температуры

, (31)

где с1 и с2 - константы ( Вт*м2, м*К).

При значениях произведения м*К формула Планка может быть с достаточной точностью (погрешность не более 0,1%) заменена формулой Вина:

. (32)

Так как излучательная способность реальных тел меньше, чем черных тел, то показания пирометра будут соответствовать не действительной температуре реального тела, а дают условную температуру или, в данном случае, так называемую яркостную температуру. Пирометры, измеряющие яркостную температуру по спектральной яркости в видимой части спектра, называют оптическими и фотоэлектрическими.

Яркостной температурой Тя реального тел называют такую температуру абсолютно черного тела, при которой его спектральная яркость равна спектральной яркости реального тела при его действительной температуре Т. В соответствии с этим

. (33)

. (34)

Преобразуя это выражение, получим

. (35)

Из выражения (35) следует, что яркостная температура всегда меньше действительной температуры T, так как . Чем меньше , тем больше разность Т-Тя, которая может достигать нескольких сотен градусов при малых значениях . Соотношение между и Т имеет вид и называется законом смещения Вина. Наблюдаемое в видимой части спектра излучения изменение цвета накаленных тел при повышении их температуры объясняет законом смещения Вина и связано с перераспределением энергии излучения. Исходя из этого, методы измерения температуры тел, основанные на изменении распределения энергии внутри данного участка спектра излучения, называют цветовыми.

Из закона Вина и Планка следует, что отношение энергетических яркостей, соответствующих двум различной длины волнам и , для черного тела будет зависеть от температуры, т. е. . Причем эта зависимость существенна и однозначна. Так, для видимой части спектра при =0,66 мкм и =0,47 мкм изменение температуры черного тела от 1200 до 3200 К изменяет отношение от 279 до 2,8 примерно по гиперболическому закону.

СИ высоких температур. Классификация методов измерения температуры. Пирометры: оптические, фотоэлектрические, цветовые, радиационные пирометры

Приборы, измеряющие температуру по значению отношения энергетических яркостей в двух спектральных интервалах, называют цветовыми пирометрами или пирометрами спектрального отношения.

Для реальных физических тел отношение спектральных яркостей отличается от подобного отношения для черного тела при той же температуре. Это связано с тем, что коэффициенты черноты и могут быть различными. Следовательно, цветовой пирометр, отградуированный по излучению черного тела, покажет при измерении температуры реального тела не действительную его температуру, а условную. Эту условную температуру в данном случае называют цветовой температурой. Цветовой температурой реального тела, имеющего истинную температуру Т, называется такая температура черного тела, при которой отношение его спектральных энергетических яркостей при длинах волн и равно отношению спектральных энергетических яркостей реального тела при тех же длинах волн, т. е.

. (36)

. (37)

Формула (37) позволяет вычислить истинную температуру реального тела по измеренному значению его цветовой температуры ТЦ, если известно отношение спектральных коэффициентов излучения и . Для серых тел, у которых в данном участке спектра , правая часть формулы (37) обращается в нуль и поэтому цветовая температура тела будет равна его истинной температуре Т.

Для определения соотношений между цветовой и истинной, а также между яркостной и истинной температурами выражения для спектральной энергетической яркости определялось по уравнению Вина. При выходе за пределы использование уравнения Вина необходимо, значение спектральных яркостей получать по формуле Планка. Для измерения температуры тел по их излучению можно использовать не только излучение определенной длины, но и суммарное излучение на всех длинах волн. Интегральная излучательность может быть получена интегрированием уравнения Планка, т. е.

(38)

В результате интегрирования получаем

, (39)

где - постоянная, равная 5,6695*10-8 Вт/(м2*К4).

Зависимость (39) выражает закон Стефана-Больцмана, который устанавливает тот факт, что полная мощность излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Т.

Приборы, измеряющие температуру тела по их интегральной излучательности, называют радиационными пирометрами или пирометрами полного излучения. Если чувствительный элемент радиационного пирометра воспринимает интегральную излучательность не во всем диапазоне длин волн от 0 до , а в некотором ограниченном интервале длин волн от до , то такой пирометр называют пирометром частичного излучения.

Для реального тела интегральная излучательность

. (40)

Так как , то .

Значения коэффициента полного излучения для различных реальных тел различны и зависят от температуры тела. В этой связи шкалы радиационных пирометров градуируются по черному излучателю, а при измерении температуры реальных тел ввиду того, что , радиационный пирометр дает заниженные показания, соответствующие некоторой условной температуре, называемой радиационной температурой тела.

Средства измерений температуры тел по их тепловому излучению. Для измерения яркостной температуры тел используются оптические (квазимонохроматические) визуальные пирометры, а также фотоэлектрические пирометры.

Оптические пирометры широко применяются в лабораторных и производственных условиях для измерения температур свыше 800°С. Принцип действия оптических пирометров основан на сравнении спектральной яркости тела со спектральной яркостью градуированного источника излучения. В качестве чувствительного элемента, определяющего совпадение спектральных яркостей в визуальных оптических пирометрах, служит глаз человека. Наиболее распространенным является оптический пирометр с исчезающей нитью, схема которого приведена на рис. 18, а. Для измерения температуры объектив 1 прибора направляется на объект измерения ОИ так, чтобы наблюдатель на его фоне увидел в окуляре 7 нить оптической лампы 4.

Рисунок 18 Схема визуального оптического пирометра

Сравнение спектральных яркостей объекта измерения и нити лампы 4 осуществляются обычно при длине волны равной 0,65 мкм, для чего перед окуляром установлен красный светофильтр 6. Выбор красного светофильтра обусловлен тем, что глаз человека воспринимает через этот фильтр только часть спектра его пропускания, приближающуюся к монохроматическому лучу. Кроме того, применение красного светофильтра позволяет снизить нижний предел измерения пирометра. Диафрагмы (входная 3 и выходная 5) ограничивают входной и выходной углы пирометра, оптимальные значения которых позволяют обеспечить независимость показаний прибора от изменения расстояния между объектом измерения и объективом.

Наблюдая за изображением нити лампы на фоне объекта измерения [светлый фон-темная нить (рис. 18,б); темный фон - светлая нить (рис. 18, г), с помощью реостата изменяют силу тока, идущего от батареи Б к нити лампы, до тех пор, пока яркость нити не станет равной видимой яркости объекта измерения. При достижении указанного равенства нить «исчезает» на фоне изображения объекта измерения (рис. 18,в). В этот момент по шкале миллиамперметра тА, предварительно отградуированного в значениях яркостной температуры нити лампы , определяют яркостную температуру объекта . По измеренной яркостной температуре при известном рассчитывают истинную температуру объекта.

Нить оптической лампы выполнена из вольфрама, поэтому во избежание ее возгонки при температурах выше 1400°С, для измерения более высоких температур перед лампой включается ослабляющий или поглощающий светофильтр 2. Благодаря этому светофильтру уменьшается видимая яркость объекта измерения в кратное число раз, что позволяет не перекаливать нить и сохранить стабильность градуировки пирометра. Оптическую плотность поглощающего стекла выбирают с таким расчетом, чтобы при температурах объекта, превосходящих 1400°С, нить накала нагревала не выше 1400°С. Поэтому обычно в оптических пирометрах имеете две шкалы, одной из которых пользуются при невведенном поглощающем светофильтре, например от 800 до 1200°С, а второй - при введенном светофильтре от 1200 до 2000°С.

Существующие в настоящее время оптические пирометры пре назначены для измерения температур в интервале от 800 до 6000°С и имеют различные модификации с различными пределами измерения. Класс точности оптических пирометров 1,5-4,0.

Радиационные пирометры, или пирометры, полного излучения,- это приборы, воспринимающие излучение от объекта во всем спектральном диапазоне. Строго говоря, приемники излучения имеют ограниченный рабочий диапазон длин волн и поэтому в пирометре используется не полный спектр излучения, а лишь определенная полоса спектра. И все же принято считать, что пирометр является радиационным, если в нем используется не менее 90% излучения от объекта измерения. Радиационные пирометры имеют самый широкий диапазон измерения, он лежит в интервале 50-2000°С и выше. Для радиационных пирометров могут быть использованы только тепловые приемники излучения - термоэлектрические преобразователи или термопреобразователи сопротивления.

Измерение температуры радиационными пирометрами основано на улавливании теплового излучения и концентрировании его на термочувствительном элементе с помощью собирательной линзы (рефракторные приборы) или вогнутых зеркал (рефлекторные приборы). На рис. 19 приведена схема радиационного пирометра рефракторного типа.

Рисунок 19 Схема радиационного пирометра рефракторного типа

Рисунок 20 Схема звездообразной термобатареи

Излучение от объекта 1 концентрируется линзой 2 объектива через диафрагму 3 на рабочих концах термобатареи 4, собранной из ряда последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей Фокусировка телескопа пирометра на объект измерения производится окуляром 7. При высокой температуре объекта для защиты глаза перед окуляром в поле зрения вводят красное стекло 6.

В качестве вторичного прибора используют милливольтметр или потенциометр, шкалы которых градуируются в значениях радиационной температуры.

Существуют различные конструкции термобатарей. На рис. 20 приведена звездообразная термобатарея, выполненная из десяти последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей, в качестве которых обычно используются хромель-копелевые термоэлектроды диаметром 60-70 мкм. Плоские рабочие концы 3 преобразователей, зачерненные платиновой чернью, образуют венчик. Свободные концы термоэлектрических преобразователей закреплены с помощью металлических пластин 2 на слюдяном кольце 1. Температура свободных концов преобразователя при градуировке равна (20±2)°С.

Для компенсации влияния изменения температуры свободных концов термобатареи параллельно последней подсоединяют катушку 5 (см. рис. 33) из медной или никелевой проволоки. Этот метод компенсации заключается в том, что, например, при увеличении температуры свободных концов термоЭДС термобатареи уменьшается, а сопротивление меди увеличивается и ток, ответвляющийся в измерительный прибор 8, сохраняется практически постоянным.

Классы точности радиационных пирометров 1,0 и 1,5. Постоянная времени этих приборов составляет 0,3-1,5 с. При установке телескопа между ним и объектом не должно быть паров влаги, дыма, пыли и т. д., так как последние поглощают лучистую энергию, что может привести к дополнительной погрешности измерения. Кроме того, следует оберегать корпус прибора от нагрева выше 100-200°C. Если это невозможно, то телескоп устанавливают в кожух с водяным охлаждением.

Размещено на Allbest.ru