методичка по ОТЕД / методичка по ОТЕД-1 / № 7

Лабораторна робота 7

Вимірювання високих температур оптичними пірометрами

Мета – вивчити пристрої і методики вимірювання температури оптичним пірометром зі зникаючою ниткою.

Основна перевага методів вимірювання температури по 1ото помножу полягає в можливості віддалення датчика від об’єкта – джерела випромінення.

До недоліків контактних методів вимірювання температури, зокрема метода вимірювання за допомогою термопар, відноситься 1ото помножу взаємодії матеріала термопари, яка збільшується з температурою, з матеріалом контролюємих виробів. Це призводить до значної зміни термоЕРС і різкого збільшення погрішності вимірювань. Цього недоліка позбавлені безконтактні методи вимірювання температури, засновані на використанні законів випромінення абсолютно чорного тіла.

Прилади, які відповідають данним методам, показують температуру (1ото помнож, колірну або радіаційну), яка пов’язана з тими або іншими випромінювальними властивостями абсолютно чорного тіла.

Вимірювання температури тіла по його 1ото помножу можна розділити на дві широкі категорії:

1. спектроскопічна термометрія;

2. оптична (не спектральна) термометрія.

Спектроскопічна термометрія заснована на вимірюванні інтенсивності та ширини 1ото помножу ліній або полос, які випромінюються парами або плазмами в діапазоні температур 300-100000 К. 1ото помножу на низьку точність цих методів, вони часто є єдиними придатними для вимірювання дуже високих температур.

Значно частіше в 1ото помножува використовуються методи оптичної термометрії, в яких розглядаються вимірювання неперервного спектра теплового випромінення. В цьому випадку температура тіла визначається:

1. порівнянням його спектральної яскравості з яскравістю градуйованого стандартного джерела випромінювання (яскравісна пірометрія);

2. вимірюванням щільності повного потоку випромінювання за допомогою градуйованого детектора (радіаційна пірометрія або пірометрія сумарного випромінювання);

3. по співвідношенню спектральних інтенсивностей в різних довжинах хвиль (колірна пірометрія).

Найбільш важливий і точний з цих методів – яскравісна пірометрія. Саме вона визначає МПТШ при температурі вище 1340 К. Для промислових вимірювань температури широко використовується радіаційна пірометрія. Колірна пірометрія в більшості випадків не має помітних переваг перед яскравісною, а необхідна для неї апаратура значно складніша, в результаті чього цей метод не знайшов широкого використання.

Радіаційна пірометрія. Радіаційна температура – характеристика повної (у всьому спектральному інтервалі) енергії випромінення тіл. Якщо енергії повного випромінення чорного і нечорного тіл рівні, то температура чорного тіла буде визначать радіаційну температуру Т_р нечорного тіла, дійсна температура якого рівна Т. Відповідно до закону Стефана-Больцмана:

,

де Е_t – щільність інтегрального потока випромінення чорного тіла; Вт/(м²К⁴) – постійна Стефана-Больцмана.

Приведене припущення можна записать так:

,

де - інтегральна випромінювальна здатність.

Тоді дійсна температура при вимірюванні радіаційної визначиться по співвідношенню:

_.

Радіаційна температура вимірюється за допомогою радіаційного пірометра, який складається з термочутливого пристрою, на яке за допомогою лінз або дзеркал фокусується випромінення досліджуваного джерела. В якості чутливого елемента зазвичай використовують термостовпчик, а також болометр і 2ото помножу елементи. Такі пірометри називають ще пірометрами “сумарного випромінення”.

Градуювання радіаційних пірометрів проводиться тими ж емпіричними способами, що і термопар. При градуюванні реєструються показники датчика при фокусуванні пірометра на чорне тіло з відомою температурою.

Радіаційні пірометри значно 2ото точні, ніж 2ото помнож. Вельми істотним виявляється вплив поглинання по всій довжині оптичного шляху або оптичними деталями (такими, як вікна), або атмосферними газами.

Важливою перевагою радіаційних пірометрів перед яскравісними є те, що вони можуть вимірювати доволі низькі температури (аж до 473 К), тоді як гранична температура для яскравісних – біля 973 К. Для вимірювання таких низьких температур радіаційні пірометри використовуються в основному в тих випадках, коли термопари з тих або інших причин непридатні. Радіаційні пірометри володіють високою чутливістю і великою швидкодією, їх можна легко пристосувати для автоматичного контролю температури, вони можуть бути придатні для вимірювання температур тіл, які швидко рухаються або важко доступні.

Для вимірювання радіаційних температур в діапазонах 400-2800 К в СРСР випускався пірометр типу РАПІР з різними телескопами типу ТЕРА-50.

Яскравісна пірометрія. 2ото помнож температуру тіл можна виміряти по залежності їх яскравості від температури при даній довжині хвилі. Якщо значення яскравості абсолютно чорного тіла і випромінюючого реального тіла в промінях з довжиною хвилі - рівні, то температура абсолютно чорного тіла буде рівна яскравісній температурі випромінюючого тіла. Зв’язок між яскравісною та істинною температурами визначається наступним чином:

, (7.1)

де - довжина хвилі, при якій проводились вимірювання; С₂ = 1,4380 · 10^-2 м · К – постійна випромінення; - монохроматична випромінювальна здатність.

2ото помнож температури реальних тіл вимірюються в основному у видимій області спектру. Найбільш розповсюдженим приладом для вимірювання яскравісних температур є оптичний пірометр зі зникаючою ниткою.

П ринципову схема цього приладу зображено на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схема яскравісного пірометра зі зникаючою ниткою

Зображення досліджуваного джерела випромінення фокусується з площини, в якій розташовано “нитку напруження” пірометричної лампи. Зображення джерела і нитка напруження на його фоні розглядаються при значному збільшенні через окуляр і червоний фільтр. Змінюючи електричний струм через нитку напруження, добиваються однакової яскравості зображення джерела і нитки, що нагрівається. Відповідне значення струму, який проходить через нитку напруження, і визначає температуру джерела випромінення. Якщо рівні монохроматичні яскравості нитки напруження і досліджуваного тіла, то рівні і температури. Якщо відома температура нитки напруження лампи, то відома і вимірювана яскравісна температура тіла. Досягнення рівності яскравостей, яке називається фотометричною рівновагою, спостерігачем сприймається як зникнення нитки лампи на фоні зображення тіла. Яскравісна температура об’єкта вимірювання відраховується по досягненні фотометричної рівноваги.

Градуювання оптичного пірометра передбачає визначення тока через пірометричну лампу, при якому яскравість нитки лампи рівна яскравості абсолютно 3ото по тіла при температурі плавлення золота. Це є основною точкою градуювання пірометра; потім проводять градуювання при більш високих температурах, спостерігаючи випромінення абсолютно 3ото по тіла через нейтральний фильтр з відомим пропусканням.

В звичайних умовах градуювання пірометра здійснюють, зрівнюючи спектральну яскравість його 3ото по яскравістю стрічкової лампи, для якої заздалегідь визначена залежність температури від струму напруження, що проходить.

Стрічкові лампи використовують в якості вторинних еталонів і бувають вакуумними або газонаповненними. Перші (більш стабільні) мають максимальну робочу яскравісну температуру біля 1750 К, а другі – 2500 К. Градуювання при високих температурах найбільш часто проводять за допомогою склянних фільтрів з відомим коефіцієнтом поглинання.

В промислових умовах широко викоритовується оптичний пірометр зі зникаючою ниткою ОППИР-017. Цей пірометр, в залежності від діапазона вимірюваних температур, випускається в трьох модифікаціях: І – 1073-2273 К, ІІ – 1473-3473 К, ІІІ – 1773-6273 К.

Пірометрична лампа призначена для роботи при температурах, які не перевищують 1673 К. Перегрів лампи веде до зміни 3ото помножув лампи і порушенню градуювання пірометра. Кожний пірометр має індивідуальне градуювання, справедливе для даної лампи. При заміні лампи прилад повинен бути 3ото помножувач3й.

Оптичні пірометри зі зникаючою ниткою ЛОП-72 і ЕОП-66 мають точність вимірювання температури, що значно перевищує точність ОППИР-017. Пірометр ЕОП-66 може бути використаний для 3ото помнож робіт.

В даний час разом з візуальними оптичними приладами, де чутливим елементом є людське око, все більш широко використовуються фотоелектричні 3ото помнож пірометри, в яких в якості чутливого елемента використовується фотоелемент, 3ото помн або 3ото помножувач.

Такі прилади здатні забезпечити більш високу точність, ніж візуальні, а також можливість неперервної реєстрації температури.

Колірна пірометрія. Колірною температурою називається така температура абсолютно чорного тіла, при якій в даній області спектра чорні та нечорні тіла характеризуються подібним розподіленням енергії. По мірі зміни температури тіла змінюється розподілення енергії в його спектрі. У видимій області спектра це призводить до зміни кольору тіла при зміні його температури. На цьому засновано вимірювання колірної температури.

Автоматичний фотоелектричний колірний пірометр ЦЕП-3 працює по принципу вимірювання відношення монохроматичних яскравостей для двох довжин хвиль.

Порядок виконання роботи

1. Вивчити прилад, принцип дії, порядок включення та контроль оптичного пірометра зі зникаючою ниткою.

2. Виміряти температуру нитки лампи розжарювання або іншого досліджуваного об’єкта за допомогою оптичного пірометра ОППІР 017.

3. По виміряним яскравісним температурам і з використанням даних по монохроматичній випромінювальній здатності вольфраму (Е_λ=0,43, λ=0,66 мкм) визначити істинну температуру лампи розжарювання по рівнянню (7.1).

Контрольні запитання

1. Основна перевага методів вимірювання температури по випроміненою.

2. класифікація методів вимірювання температури тіла по випроміненою.

3. На чому заснована спектроскопічна термометрія?

4. Класифікація та загальна характеристика методів оптичної термометрії.

5. Радіаційна пірометрія. Зв’язок між істинною та радіаційною температурою.

6. Принцип дії радіаційного пірометра.

7. Переваги та недоліки радіаційних пірометрів.

8. Яскравісна пірометрія. Зв’язок між істинною та яскравісною температурами.

9. Принципова схема оптичного пірометра зі зникаючою ниткою та принцип його роботи.

10. Градуювання оптичного пірометра.

11. Фотоелектричні яскраві сні пірометри.

12. Кольорова пірометрія. На чому засновано вимірювання кольорової температури?

[9, с. 102-119;10]