3.6. Пирометры

3.6.1. Общие сведения

Пирометры предназначены для дистанционного бесконтактного измерения температуры путем измерения теплового излучения нагретого тела. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000⁰С и выше. Преимущества пирометров – отсутствие влияния измерительного устройства на температурное поле.

Жидкие и твердые тела излучают непрерывный спектр электромагнитных частот, а газы – селективный. Участок спектра в интервале длин волн 0,02 – 0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому, участок 0,4 – 0,76 мкм – видимому, участок 0,76 – 400 мкм – инфракрасному излучению.

Монохроматическим называют излучение на определенной частоте, а интегральным - суммарное излучение во всем спектре.

Физические тела по-разному поглощают, отражают и пропускают тепловые лучи. Считается, что абсолютно черное тело (АЧТ) поглощает все подающее на него излучение. Зависимость плотности потока излучения АЧТ от длины волны и температуры описывается известным уравнением Планка, графическая интерпретация которого показана на рис. 3.7. Из графика видно, что длина волны максимума излучения жестко связана с величиной температуры.

Плотность потока интегрального излучения АЧТ получается суммированием плотностей потока по всему спектру. В результате получается выражение закона Стефана-Больцмана:

Е₀ = ₀Т⁴ Вт/м³,

где Е₀ – плотность потока интегрального излучения АЧТ;

Т – температура, К;

₀ – коэффициент излучения АЧТ.

₀ = 5,7*10^-8 Вт/(м²*К⁴).

Рисунок 3.7 Зависимость плотности потока спектрального излучения

АЧТ от длины волны и температуры

Реальные тела по сравнению с АЧТ обладают меньшим излучением при одинаковой температуре. Степень уменьшения характеризуется степенью черноты  (спектральной _ или полной _). Значения  находятся в пределах от 0 до 1. Если _  1 и не зависит от длины волны, то такое излучение называется серым.

Степень черноты определяется экспериментальным путем. Для окисленной стали при температурах 20 – 600⁰С _ = 0,8, для расплавленной меди при температурах 1100 – 1300⁰С _ = 0,15.

На основании законов излучения разработаны следующие типы пирометров: пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряет полную энергию излучения, пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряет энергию в ограниченном участке спектра, пирометр спектрального отношения (ПСО) – измеряет отношение энергии определенных участков спектра.

Пирометры градуируются по АЧТ, поэтому для получения реальной температуры в их показания вводятся поправки.

3.6.2. Пирометры частичного излучения

К данному типу пирометров относятся оптические и фотоэлектрические пирометры, измеряющие лучистую энергию в узком диапазоне спектра.

Оптический пирометр сравнивает яркость измеряемого тела в лучах определенной частоты с яркостью раскаленной нити накаливания, предварительно проградуированной по излучению АЧТ. Когда яркость нити сравняется с яркостью тела она станет невидимой на фоне измеряемого тела. Поэтому такие пирометры называются пирометрами с исчезающей нитью. При измерении объектив пирометра направляют на раскаленное тело так, чтобы в окуляре на фоне раскаленного тела была видна нить накаливания фотометрической лампы. Изменяя ток в лампе добиваются совпадения яркости нити накаливания с яркостью поверхности измеряемого тела. О величине температуры можно судить по показанию амперметра в цепи накала. Объектив пирометра оснащен красным светофильтром, пропускающим только тепловые лучи с длиной волны 0,650,1 мкм. В связи с тем, что вольфрамовая нить не выдерживает температуры выше 1400⁰С, то при температурах выше 1400⁰С на объектив одевается дополнительный нейтральный светофильтр.

Точность измерения температуры тел, близких по свойствам к АЧТ, порядка 1,5%. Номинальное значение дистанции между объектом и пирометром составляет 1м, допускается увеличить это расстояние до 5м. На погрешности измерения температуры сказываются степень черноты, исследуемого объекта, ослабление энергии излучения в воздухе, а также влияние посторонних лучей.

Фотоэлектрический пирометр не требует участия в измерениях человека-оператора. Здесь световой поток попадает на фотоэлемент, причем поток периодически при помощи вибрирующей заслонки перенаправляется от визируемой поверхности или от лампы накаливания. Выходной сигнал фотоэлемента пропорционален разности указанных световых потоков и после усиления вызывает изменение тока накала лампы. Таким образом, ток лампы однозначно характеризует яркость, а следовательно, и температуру визируемого объекта.

Предел измерения таких пирометров от 500 до 4000⁰С, класс точности 1,0-1,5.