5.6. Бесконтактные измерители температуры

Оптические бесконтактные методы измерения температуры по интенсивности теплового излучения тел называются методами оптической пирометрии.

Любое тело, находящееся при температуре выше абсолютного нуля, излучает электромагнитное излучение с непрерывным спектром в видимом и инфракрасном диапазонах с длинами волн от 0,1 до 100 мкм.

Интенсивность теплового электромагнитного излучения резко увеличивается с ростом температуры тел. Поэтому, с повышением температуры возможности реализации и влажность методов пирометрии возрастают. При температурах выше 1300 К методы пирометрии конструируют с контактными методами измерения температуры, а при температурах выше 3300 К становятся единственными. Так образцовые яркостные пирометры выбраны в качестве основных интерполяционных приборов, определяющих Международную практическую температурную шкалу (МПТШ–68) [76] при температурах выше точки затвердевания золота 1337,58 К.

Основным условием применимости методов пирометрии является требование, чтобы регистрируемое излучение было чисто тепловым, то есть подчинялось законам теплового излучения. Этому обычно удовлетворяет излучение твердых тел и жидкостей. Однако отличие излучательных свойств тел от идеализированного абсолютно черного тела приводит к необходимости введения псевдотемператур. Используются радиационные, яркостные и цветовые температуры.

Методы оптической пирометрии являются бесконтактными, что позволяет их использовать для измерения температур движущихся объектов, удаленных тел, микрообъектов и изолированных систем при невозможности установки контактных датчиков. Методы оптической пирометрии дают возможность усреднения по полю визирования при измерении неоднородного поля температуры, позволяют измерять как локальные температуры в заданных точках, так и линейные и поверхностные распределения температуры.

Методам оптической пирометрии присуще высокое быстродействие фотоэлектрических приемников излучения, что позволяет измерять температуры быстропротекающих процессов.

Важную роль играют методы пирометрии в решении задач неразрушающего теплового контроля и создания систем раннего обнаружения аварийных режимов [63].

Современные системы измерения тепловых излучений создают возможности применения томографических методов [64] для измерения пространственных полей температуры в случае полупрозрачных сред, особенно для случая микроволнового диапазона [65].

В последнее время для измерений температуры в недоступных местах и уменьшения влияния оптического тракта в неблагоприятных условиях получило распространение использования световодов в практике оптической пирометрии [66,67].

Рассмотрим недостатки и ограничения методов оптической пирометрии.

Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени, а длина волны, на которой достигается максимум спектральной плотности энергетической светимости, обратно пропорциональна абсолютной температуре. Это приводит к резкому падению теплового излучения при низких температурах и уменьшению температурного контраста теплового излучения, а максимум излучения смещается в область больших длин волн, т.е. в дальнюю инфракрасную область. Эти факторы резко ухудшают точность измерения температур ниже 1000 К методами оптической пирометрии.

Важным ограничением пирометрических методов является отличие теплового излучения реальных тел от излучения абсолютно черного тела. Это приводит к зависимости спектрального коэффициента излучения от температуры, длины волны, материала структуры излучающей нагретой поверхности.

Приемник пирометра регистрирует все тепловое излучение от нагретого тела в области визирования. Это приводит к сильному влиянию отраженного и фонового теплового излучения на результаты измерений температуры оптическими пирометрами.

Сильное влияние рассеивающих, поглощающих и измеряющих характеристик оптического тракта (запыленность атмосферы и аэрозоли, повышенное содержание трехатомных газов СО₂, Н₂О₃,NО_х) на результаты изменений проявляется при измерениях методами оптической пирометрии в случае измерений на значительных расстояниях до объекта [68].

К заметным недостаткам оптических пирометров следует отнести их сравнительно высокую цену, сложность прибора и его калибровку, высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, а также невысокую надежность сложного оптикоэлектронного оборудования в эксплуатации.