2.3. Оптическая пирометрия.
Существуют различные приборы для измерения температуры нагретых тел: термометры расширения, термопары, электрические термометры сопротивления и т.д. Однако для сильно нагретых тел (свыше 2000 С) перечисленные приборы непригодны. Они совершенно неприменимы тогда, когда исследуемые тела чрезвычайно удалены от наблюдателя (Солнце, звезды…). В подобных случаях в качестве термометрического фактора можно использовать тепловое излучение.
Методы измерения высоких температур на основе законов теплового излучения называются оптической пирометрией. Приборы, используемые для этой цели, называются пирометрами.
В зависимости от того, какой из известных законов теплового излучения используется при измерении температуры нагретых тел, различают три температуры: радиационную, цветовую и яркостную.
Радиационная температура.
Из
закона Стефана – Больцмана можно найти
температуру, если измерить
.
(2.15)
Определенная таким способом температура тела называется радиационной – Тр. Она меньше истинной температуры реального тела Ти, т.е. Тр < Ти.
Цветовая температура.
Температуру АЧТ, при которой его излучение близко по цвету к излучению реальных «серых» тел, называют цветовой температурой серого тела:
(2.16)
Цветовая температура обычно выше истинной.
Яркостная температура.
Под яркостной температурой Тя реального тела понимают такую температуру абсолютно черного тела, при которой его испускательная способность для монохроматического света равна испускательной способности реального тела.
(2.17)
где Т – температура серого тела.
Применяя закон Кирхгорфа к исследуемому телу при длине волны λ0 и учитывая, что его поглощательная способность α(λ0,Т) < 1, нетрудно показать, что Тя < Т.
Яркостную температуру можно определить с помощью пирометров с исчезающей нитью.
Бесконтактное измерение температуры поверхности получило распространение в 90-х годах 20 века и применяется главным образом там, где контактные термометры не могут быть использованы.
Технология инфракрасного измерения обеспечивает легкую регистрацию температурных данных даже при быстрых и динамичных процессах. К тому же, бесспорным преимуществом технологии является малое время реакции сенсоров и систем.
Практической реализацией в настоящее время является инфракрасный термометр с лазерным целеуказателем – прибор для бесконтактного измерения температуры. Инфракрасные термометры измеряют температуру поверхности объекта. Оптика прибора собирает собственное излучение объекта, отраженное и прошедшее через объект излучение и фокусирует на приемник излучения. Электроника прибора выдаёт величину энергии излучения и преобразует её в цифровую величину температуры на экране прибора. Лазер используется только для наведения на объект.
Инфракрасные термометры используются для измерения температуры пищевых продуктов; определения поверхностей компрессоров, корпусов и несущих компонентов больших и малых двигателей; измерение температуры движущихся компонентов (на движущемся конвейере, вращающихся колесах, металлопрокатных станках, колесных парах и др.).
В автомобильной промышленности инфракрасные термометры позволяют контролировать температуру воздушных потоков в салоне, на входе в двигатель, состояние электропроводки и системы зажигания, в частности, температуру топлива и нагрев выпускной системы, тормозных дисков, колодок.
При строительных работах с помощью пирометра легко обнаруживаются тепловые мостики – места с ухудшенной теплоизоляцией, или же неплотности при монтаже дверей и окон.
Инфракрасный термометр обладает рядом неоспоримых преимуществ, а именно:
безопасность использования (даже при серьёзных механических повреждениях ничто не угрожает здоровью);
более высокая точность измерения;
минимальное время проведения процедуры (измерение проводится в течение 0,5 секунды);
возможность группового сбора данных.
Причинами некорректного измерения инфракрасного термометра являются пыль и частицы грязи, дождь, пар, газы.