3.9 Неконтактні методи вимірювання температури
До неконтактних методів відноситься вимірювання температури пірометрами випромінювання, дія яких ґрунтується на використанні теплового випромінювання нагрітих тіл. Перевагами цих методів вимірювання температури порівняно з контактними методами є відсутність впливу на температурне поле, внаслідок того що датчик приладу не вводиться в вимірюване середовище, а також теоретично необмежена верхня границя вимірювання температури. Пірометри випромінювання застосовують для вимірювання температури у діапазоні від 50 до 6000 оС.
Дія пірометрів випромінювання ґрунтується на законі Планка, який визначає залежність густини спектрального потоку випромінювання від довжини хвилі і температури
Eоλ
|
(3.46) |
,
де
– довжина хвилі;
і
–
сталі випромінювання;
– температура тіла. Індекс «0» відноситься
до абсолютно чорного тіла.
Густина потоку інтегрального випромінювання визначається законом Стефана-Больцмана
|
(3.47) |
,
де
– стала Стефана – Больцмана;
– коефіцієнт випромінювання абсолютно
чорного тіла.
Найбільш поширені два метода вимірювання температури: яскравісний, що ґрунтується на вимірюванні спектральної густини випромінювання (3.46) і радіаційний – на вимірюванні густини інтегрального випромінювання, тобто по всім довжинам хвиль (3.47).
У вимірювальній практиці найбільш розповсюджені оптичні і ра-діаційні пірометри випромінювання.
3.9.1. Оптичні пірометри
Дія оптичних пірометрів ґрунтується на вимірюванні густини потоку випромінювання у видимій частині спектру (довжина хвилі від 0,4 до 0,76 мкм). Наприклад, в оптичних пірометрах ОППІР викори-стовується яскравість випромінювання з ефективною довжиною хвилі 0,65 мкм, що відповідає червоній частині спектру.
Оптичні пірометри показують яскравісну температуру Tя, тобто таку, при якій спектральна густина випромінювання абсолютно чорного тіла дорівнює такому ж випромінюванню реального тіла при дійсній його температурі .
Зв'язок між дійсною і яскравісною температурами визначається формулою
|
(3.48) |
,
де
;
(
–
монохроматичний коефіцієнт чорноти
тіла для променів з довжиною хвилі
).
Принципова схема оптичного пірометра показана на рис. 3.29.
В пірометрі здійснюється порівняння інтенсивності монохрома-тичного випромінювання (яскравості) з яскравістю свічення волоска пірометричної лампи, яка відградуйована по випромінюванню абсолютно чорного тіла. Пірометр складається з об’єктиву з лінзою 1, пірометричної лампи 3, окуляра 4 з червоним світлофільтром 5. Пірометрична лампа живиться постійним струмом від акумулятора Б через реостат 6. До електричного кола лампи підключений електровимірювальний прилад 8, шкала якого відградуйована в градусах яскравісної температури.
При вимірюванні яскравісної температури дугоподібний волосок пірометричної лампи через оптичний пристрій наводять на вимірюване тіло і зрівноважують яскравість волоска і тіла змінюванням сили струму, яким живиться лампа. В момент рівноваги яскравостей волосок лампи зникає з поля зору спостерігача; в цей момент здійснюється відлік показань зі шкали електровимірювального приладу.
Для отримання яскравості випромінювання з ефективною довжиною хвилі 0,65 мкм перед окуляром розміщується червоний скляний світлофільтр 5, а за ним - вихідна діафрагма 7, перед якою при вимірюванні знаходиться око спостерігача.
Вольфрамовий волосок пірометричної лампи не можна нагрівати до температури вище 1500 оС, тому що при цьому порушується гра-дуїровка шкали приладу внаслідок розпилювання (потоншення) волоска при його перегартуванні і забруднення внутрішніх стінок скляної колби лампи. Тому, для вимірювання більш високих температур між об’єктивом і пірометричною лампою розміщується вбираючий світлофільтр (затемнене скло) 2, який за допомогою поворотного пристрою може ставитися перед лампою або відводитися в бік. При введеному світлофільтрі силі струму, що проходить через волосок лампи, відповідають інші яскравісні температури. Тому електровимірювальні прилади мають декілька шкал з різними діапазонами. Наприклад, пірометр типу ОППІР-017 має два діапазони показань (дворядкову шкалу): перший – при роботі без вбираючого світлофільтра 800…1400 оС і другий – при введеному світлофільтрі 1200…2000 оС.
Промисловість випускає переносні оптичні пірометри із зникаючим волоском для температур від 700 до 6000 оС.