Методы измерения температуры тел по их излучению

Большая часть температурных измерений в промышленности и особенно в энергетике выполняется контактными датчиками при непосредственном соприкосновении измерительного элемента с контролируемой средой (термометры сопротивления, расширения и термоэлектрические термометры). Наряду с достоинствами (дешевизна, простота, высокая точность и надежность) они обладают рядом недостатков: разрушение тела датчика при высоких температурах (верхний предел 2500 К), обязательность хорошего контакта с измеряемой средой, что трудновыполнимо в случае движущихся объектов, искажение температурного поля и относительно большая инерционность, затрудняющая анализ быстропротекающих процессов. Указанных недостатков лишены бесконтактные датчики, основанные на измерении интенсивности потока излучения, возникновение которого определяется только температурой и оптическими свойствами тела.

Поток лучей, падающих извне на поверхность тела, в результате взаимодействия с ним количественно может быть разделен на три составляющие:

1. излучение, отраженное от поверхности тела;

2. энергия, поглощенная телом, перешедшая из лучистой в тепловую;

3. поток лучей, прошедших насквозь через тело.

При анализе законов излучения часто встречается термин абсолютно черное тело. Таких тел в природе не существует, это математическая абстракция, которая характеризуется полным поглощением всей падающей энергии Е_пад=Е_{0 погл} (индекс «0» означает черное тело).

Процессы поглощения и излучения телами лучистой энергии взаимопротивоположны. Первый состоит в преобразовании части упавшего на поверхность тела потока в тепловую энергию, вызывающую повышение температуры. Второй характеризуется зависимостью излучения от температуры; для абсолютно черного тела (энергия лучей определяется только температурой, на нее не влияют свойства поверхности) фундаментальная связь энергии и температуры определяется по формуле Планка:

, (21)

где – постоянные; – длина волны излучения; – температура; -энергетическая яркость в длине волны.

При малых (для реальных тел при температуре менее 4000 К) можно применять закон Вина:

(22)

Для реальных тел законы теплового излучения можно записать:

(23)

На основании формулы (23) можно определить истинную температуру тела, измерив интенсивность излучения и зная . Однако степень черноты в значительной мере зависит от температуры (пока неизвестной), длины волны и от состояния поверхности измеряемого тела (алюминий полированный ; алюминий сильно окисленный , т.е. в уравнении (23) кроме искомой Т входит и неизвестная в общем случае величина , которая значительно влияет на измеренное значение температуры.

Измерительные устройства, основанные на определении теплового излучения тел, градуируются на температуру, соответствующую излучению абсолютно черного тела. Тепловые излучения различных реальных тел при равной температуре неодинаковы и определяются значениями коэффициентов черноты этих тел. Для нахождения температур реальных тел в показания измерительных устройств вводят поправки.

На основании зависимости (23) базируются основные методы пирометрии излучения: яркостный, цветовой и радиационный.

Яркостный метод основан на совпадении яркости эталона (температура которого известна) и измеряемого объекта. В этом случае

, (24)

т.е. мы измеряем яркостную температуру и определяем из выражения

(25)

Цветовой метод подходит для «серых» тел, у которых степень черноты не зависит от длины волны. В этом случае, определив для двух разных длин яркость измеряемого объекта, мы для двух неизвестных и сможем записать два уравнения типа (25), и эта система однозначно разрешится. В случае зависимости степени черноты от длины волны погрешность этого метода также будет значительно меньше, чем у яркостного.

В радиационном методе излучение от объекта фокусируется с помощью линзы на чувствительном элементе (блоке термопар) и по температуре чувствительного элемента определяется искомая температура тела.