2.4. Оптические методы измерения температуры нагретых тел
Измерение температуры тел по тепловому излучению относится к категории методов неразрушающего контроля. Это – методы дистанционного измерения, исключающие всякое воздействие измерительных устройств на состояние исследуемого объекта. Возможны измерения температуры удаленных тел и тел, расположенных в замкнутом объеме, окруженном стенками из прозрачного материала. Оптический метод является практически единственным для температурных измерений в диапазоне свыше 2000 К.
Б
ольшинство
методик проведения оптических измерений
ориентированы на видимый диапазон. Это,
однако, не исключает проведения измерений
в инфракрасной области. Датчиками
тепловых потоков в этом случае являются
устройства, высокочувствительные к
нагреву излучением.
Наиболее доступным и распространенным является метод измерения температуры по интенсивности оптического излучения с помощью так называемых оптических пирометров. Конструкция оптического пирометра поясняется на рис. 2.11. Для облегчения процесса измерения отечественные пирометры типа ОППИР, используемые для промышленных целей, имеют встроенный измерительный прибор. Различают два основных способа оценки температуры оптическим пирометром: метод измерения яркостной температуры и метод измерения цветовой температуры. Точность измерения по методу яркостной температуры оптическими пирометрами составляет примерно 1,5 %. Для измерения температуры конкретных материалов имеются довольно точные (не хуже 0,1 %) таблицы и номограммы перевода яркостной и цветовой температуры в истинную. При использовании оптических пирометров температура поверхности оценивается по сопоставлению интенсивности излучения исследуемого тела с интенсивностью излучения образцового излучателя в виде небольшой лампы накаливания, установленной в корпусе пирометра. По методу яркостной температуры сопоставление производится только при одной длине волны излучения, в то время как по методу цветовой температуры сопоставление делается при двух длинах волн. В том и другом случае при оценке интенсивности излучения используется закон Планка. В методе яркостной температуры спектральная характеристика учитывается только для уточнения результатов измерения, тогда как в методе цветовой температуры спектральное распределение излучения фигурирует как основополагающий фактор теплового воздействия.
В процессе измерения пирометр направляется на исследуемый объект. Затем, регулируя ток через образцовую лампу, добиваются полного совпадения интенсивности излучения лампы с интенсивностью излучения исследуемого объекта. Признаком совпадения является исчезновение светящейся нити лампы на фоне излучающей поверхности исследуемого тела. Интенсивность излучения лампы оценивается по зрительному восприятию прокалиброванного по эталонному образцу модели абсолютно черного тела. Таким образом, устанавливается однозначная связь между током накала лампы и температурой абсолютно черного тела (Tа.ч.т.).
В небольшом интервале длин волн поток излучения с единицы поверхности абсолютно черного тела:
.
При заданной длине волны интенсивность излучения данного тела совпадает с интенсивностью излучения абсолютно черного, но при другой температуре T, которую рассматривают как истинное значение температура тела:
.
Здесь ελ – спектральный коэффициент излучения тела на данной длине волны (чаще всего λ = 665 нм). При таком методе измерения температура абсолютно черного тела Tа.ч.т. рассматривается как яркостная температура (Tя). В случае умеренных температур для тел, излучающих в видимом диапазоне, экспоненциальный член много больше единицы, поэтому
.
Когда спектральные свойства исследуемого тела известны для нескольких длин волн, целесообразно воспользоваться методом цветовой температуры. В этом случае по результатам измерений при двух значениях длины волны температура тела рассчитывается по формуле
.
Здесь Tц – цветовая температура (температура абсолютно черного тела, при которой оно имеет такое же соотношение интенсивности излучения на длинах волн 1 и 2, что и данное тело).
При малых температурах, когда нет видимого излучения либо оно очень слабое, можно воспользоваться специально разработанными устройствами, обладающими способностью измерять тепловые потоки по их воздействию на специальный датчик. Вариантом такого устройства может служить измеритель оптического излучения ИМО-2Н (рис. 2.12), широко используемый в лазерной технике.
В
измерителе измеряемый поток излучения
направляется на внутреннюю сторону
металлического конуса 1 с чернящим
покрытием. По условиям распределения
тепловых потоков излучения в объеме
измерительного блока такой конус
достаточно близок модели абсолютно
черного тела. Степень нагрева конуса
измеряется цепочкой последовательно
включенных термопар 2.
Для того чтобы снизить влияние окружающей среды, в датчике предусмотрен компенсационный конус 3, расположенный в том же корпусе, но обращенный в противоположную сторону, закрытую от внешних потоков излучения.
Предусмотрены калибровка и установка нуля усилителя постоянного тока. Для калибровки устройства в рабочей области датчика расположен электрический нагреватель мощностью 10 мВт. Для измерения больших мощностей излучения (до 100 Вт) предусмотрена возможность использования ослабителей в виде вращающихся дисков с одной либо несколькими прорезями соответствующих размеров. Диапазон измеряемых мощностей от 0,0003 до 100 Вт.
В практике электронного приборостроения оценка интенсивности излучаемого потока в ряде случаев выполняется по показаниям фотоэлектронных датчиков [8].