Бесконтактное измерение температуры по излучению

Термометры, действие которых основано на измерениитеплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролироватьтемпературуот 100 до 6000⁰С и выше.[4]

На законах излучения основывается ряд бесконтактных методов измерения температуры. Наибольшее распространение получили следующие методы измерения температуры по излучению:

- Квазимонохроматический (яркостной) метод, использующий зависимость спектральной энергетической яркости тела от температуры.

- Метод спектрального отношения (цветовой), основанный на перераспределении с с температурой спектральных энергетических яркостей внутри данного участка спектра (отношения двух спектральных энергетических яркостей).

- Метод полного излучения (радиационный), основанный на зависимости энергетической яркости тела от температуры в широком спектральном интервале.

В связи с чрезвычайным разнообразием излучательных свойств реальных тел пирометры излучения градуируются по излучению абсолютно черного тела. Поэтому значения температуры реальных тел, отсчитанные по пирометрам излучения, являются не действительными температурами тела, а псевдотемпературами. Эти псевдотемпературы носят соответствующие названия: яркостная, цветовая и радиационная температура тела.

Яркостной температуройреального физического тела называется такая температура абсолютно черного тела, при которой спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела равна спектральной энергетической яркости реального физического тела при его действительной температуре. Аналогично можно дать определение цветовой и радиационной температурам.Радиационной температуройреального тела называюттемпературу, при которой полная мощность абсолютно черного тела равна полной энергии излучения данного тела при действительнойтемпературе.Цветовой температуройреального тела называюттемпературу, при которой отношения плотностей потоков излучения абсолютно черного тела для двух длин волн₁и₂равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительнойтемпературе.[2]

Достоинства пирометров излучения:

- измерение основано на бесконтактном способе, следовательно, отсутствует искажение температурного поля, вызванное введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду, а также нет коррозии самого аппарата из-за высокой температуры;

- верхний предел измерения температуры теоретически неограничен;

- имеется возможность измерения температур пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях, когда трудно использовать другие методы. [3]

Недостаток пирометров излучения заключается в том, что они позволяют измерять только псевдотемпературы реальных тел.[2]

Рассмотрим подробнее теоретические основы и принцип действия квазимонохроматических (оптических) пирометров.

Теоретические основы работы оптических пирометров

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 ^оС) нагретое тело испускает инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. По мере повышения температуры цвет тела меняется от темно-красного до белого, содержащего волны всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает спектральная энергетическая яркость (СЭЯ), т.е. излучение определенной волны (яркости), а также заметно увеличивается суммарное (интегральное излучение).

Теоретически можно обосновать лишь явление лучеиспускания абсолютно черного тела (коэффициент его лучеиспускания принимают равным единице). Все реальные физические тела обладают способностью отражать часть падающих на них лучей. Коэффициент лучеиспускания реальных тел меньше единицы, причем он зависит как от природы данного тела, так и от состояния его поверхности.

Возрастание СЭЯ с повышением температуры различно для волн разных длин и в области сравнительно невысоких температур для абсолютно черного тела описывается уравнением Вина:

,

где Е_0- СЭЯ абсолютно черного тела для волны длиной; Т – абсолютная температура тела, К; С₁и С₂– константы излучения, числовые значения которых зависят от принятой системы единиц; С₁= 2hc²(h– постоянная Планка, с – скорость света), С₂=Nhc/R(N– постоянная Авогадро,R– универсальная газовая постоянная).[3]

Поскольку СЭЯ неодинакова для различных длин волн, уравнение Вина применяют в яркостной пирометрии для волны определенной длины (обычно для красного цвета длиной волны 0,65 или 0,66 мкм).

Уравнением Вина можно пользоваться до температуры примерно 3000 К. При более высоких температурах СЭЯ абсолютно черного тела описывается уравнением Планка [3]:

.

Реальные физические тела излучают энергию менее интенсивно, чем абсолютно черное тело. В результате измерения квазимонохроматическими пирометрами получают так называемую условную температуру. Для перехода от условной (яркостной) температуры к истинной используют преобразованное уравнение Вина.

Если сравнить СЭЯ Е_реального (серого) тела при определенной длине волныс СЭЯ Е_0абсолютно черного тела при той же длине волны, то их отношение будет выражать степень черноты тела при определенной длине волны[3]:

.

Абсолютно черное тело при яркостной температуре Т_яи длине волныимеет яркость В_0. Такую же яркость при той же длине волны имеет реальное тело при температуре Т, т.е. В_(Т)= В_0(Тя). Яркость тела В_прямо пропорциональна СЭЯ Е_, следовательно,

В= kE_,

где k– коэффициент пропорциональности.

Яркость реального тела, нагретого до температуры Т, данной длине волны [3]:

В_(Т)=.

Яркость абсолютно черного тела, нагретого до температуры Т_я:

В_0(Тя)=.

Сравнив правые части этих уравнений, после логарифмирования получим уравнение истинной температуры Т физического тела по яркостной (условной) температуре Т_я, измеренной квазимонохроматическим пирометром:

,

где Т_я– яркостная (условная) температура тела, измеренная пирометром, К;- длина волны, мкм; С₂– константа уравнения Вина;_- степень черноты тела для данной длины волны. [3]