5. Радиационные пирометры

Служат для измерения температуры по мощности излучения нагретого тела. Испускаемые им лучи с помощью оптич. системы (рефракторной - преломляющей с линзой и диафрагмой или рефлекторной - отражающей с зеркалом) фокусируются на к.-л. преобразователе - обычно миниатюрной термоэлектрич. батарее. Для наводки на нагретое тело используют окуляр с красным либо дымчатым светофильтром. Возбуждаемая в батарее термоэдс фиксируется потенциометром, шкала которого градуирована в градусах по температуре излучения абсолютно черного тела. По измеренной радиац. температуре (900-2000 ⁰C) истинную температуру раскаленного тела находят из спец. таблицы. Точное определение кол-ва поступающей в пирометры лучистой энергии крайне затруднительно, т.к. между приемником излучения и окружающей средой происходит теплообмен. Несмотря на это, пирометры полного излучения широко распространены в производств. практике; они м. б. установлены стационарно, позволяют применять дистанц. передачу показаний, автоматически записывать и регулировать температуру.

В основе радиационного метода измерения температуры лежит использование зависимости, существующей между суммарной энергией излучения тела и его температурой. Для абсолютно черного тела (т. е. тела, поглощающего всю падающую на него энергию) эта зависимость определяется следующей формулой:

,

где - полная энергия, излучаемая абсолютно черным телом при температуре Т за 1 сек с единицы поверхности и воспринимаемая за 1 сек бесконечной поверхностью абсолютно черного тела с температурой ;

- постоянная, равная .

Для измерения температуры черного тела достаточно измерить его полную энергию излучения, например по ее тепловому действию. Ввиду того, что в радиационных пирометрах измеряемая температура значительно превышает температуру поверхности, воспринимающей излучение, в вышеприведенном уравнении членом можно пренебречь, и уравнение приобретает следующий вид: (закон Стефана-Больцмана).

В радиационном пирометре энергия, излучаемая поверхностью нагретого тела, преобразуется в электрический сигнал, который измеряется каким-либо вторичным прибором. При этом радиационный пирометр показывает истинную температуру только в случае его наводки на практически черное тело.

В качестве черного тела обычно служит полая глухая карборундовая труба (визирная камера), которая расположена в зоне измеряемой температуры и все части которой одинаково нагреты. Если телескоп радиационного пирометра, установленного на открытом конце визирной трубы, наведен на ее внутреннюю поверхность, то пирометр будет воспринимать максимально возможное количество лучистой энергии при данной температуре. Это является следствием того, что неполнота излучения любого участка внутренней поверхности камеры компенсируется отражением излучений от ее остальной поверхности. Радиационный пирометр, отградуированный по черному телу и используемый для измерения температуры поверхностей физических (нечерных) тел, будет показывать вместо действительной некоторую уменьшенную температуру.

В том случае, когда с помощью радиационного пирометра измеряется температура нечерного тела, нельзя получить методически точное (не приближенное) значение его истинной температуры из общей энергии излучения. Это объясняется тем, что не представляется возможным точно определить «суммарный» коэффициент черноты излучения нечерного тела во всем диапазоне измеряемых излучений.

Ввиду того, что суммарная интенсивность излучения нечерного тела в диапазоне длин волн от до с помощью закона Планка выражается формулой

то так называемая радиационная температура Гр нечерного тела может быть определена по следующему выражению

где — коэффициент черноты излучений тела на определенной длине волны;

c₁ и с₂ — постоянные коэффициенты.

Радиационной температурой нечерного тела называется такая температура черного тела, при которой суммарная энергия излучения черного тела равна суммарной энергии излучения нечерного тела в рабочем участке спектра прибора данного типа. Согласно определению радиационной температуры суммарная энергия излучения нечерного тела, истинная температура которого T, равна суммарной энергии излучения черного тела при температуре T_p т. е.

или

откуда

где — суммарный коэффициент излучения, зависящий от температуры тела.

Вышеприведенная формула позволяет осуществить переход от измеренной радиационной температуры нечерного тела к его истинной температуре в том случае, если известна измеренная с достаточной точностью величина .

Надежность определения истинной температуры тела по измеренной радиационной температуре зависит от погрешности определения коэффициента черноты излучения. Значение для большинства тел известно с погрешностью не меньшей чем 15—20%. Нередко ошибка в определении значения достигает 40—50%. В радиационном пирометре зависимость э. д. с. термоприемника от температуры абсолютно черного излучателя Т может быть выражена следующей формулой:

где - температура рабочего конца термобатареи;

- температура свободных концов термобатареи;

- суммарный коэффициент поглощения телескопа;

- постоянная, равная .

с - приведенный коэффициент черноты излучения термоприемника и внутренней поверхности телескопа;

b - постоянный коэффициент, зависящий от отвода тепла по проводам термопары и коэффициента конвективной теплоотдачи;

A - постоянный коэффициент, меньший единицы, зависящий от геометрических размеров телескопа.

Ввиду того, что неизвестна зависимость суммарного коэффициента поглощения телескопа от температуры, не представляется возможным определить точную теоретическую зависимость э. д. с. термоприемника от температуры абсолютно черного излучателя. Вследствие сложной зависимости э. д. с. термоприемника от температуры источника шкала прибора не может быть получена расчетным путем по одной или нескольким экспериментальным точкам. Поэтому градуировку радиационных пирометров производят методом непосредственного сличения их показаний с температурой абсолютно черного тела.

Недостатками радиационного метода являются:

1) большое расхождение между, радиационной температурой и истинной при измерении нечерных тел, являющееся следствием недостаточной надежности перехода от радиационной температуры к истинной;

2) значительная зависимость радиационной температуры от поглощения излучений в промежуточной среде, учет которого затруднителен.

Погрешности от неполноты излучения и от поглощения промежуточной средой существенно уменьшаются при монтаже телескопа радиационного пирометра на глухой визирной карборундовой трубе, располагаемой в зоне измеряемой температуры. В этом случае замкнутая полость раскаленной визирной трубы играет роль черного излучателя. Однако динамические качества такого датчика температуры весьма низки и определяются тепловой инерцией промежуточного излучателя.

Конструктивно радиационные пирометры состоят из следующих основных узлов:

1) оптической системы, фокусирующей излучения нагретого тела на термоэлектрический приемник пирометра; эти системы выполняются двух типов: отражательные (рефлекторные), представляющие собой вогнутые зеркала, и рефракторные, в которых используются линзы;

2) термоприемника, представляющего собой миниатюрную термобатарею;

3) измерительного прибора.

Поток энергии, поступающей на термоприемник, вызывает нагревание последнего, достаточное для получения такой величины термо-э. д. с, измерение которой не вызывает затруднений. В качестве термоприемников в радиационных пирометрах применяются термобатареи специальной конструкции. Термобатарея радиационного пирометра представляет собой группу последовательно соединенных термопар, рабочие концы которых скреплены с зачерненными пластинками из платиновой фольги, либо расклепаны в тонкие пластинки (рис. 1).

Рисунок 1 – Термобатарея радиационного пирометра