4.2.4. Пирометры

Пирометры применяются для измерения температур тел от 300 до 6000⁰С. Действие их основано на зависимости теплового излучения нагретых тел от их температуры и физико-химических свойств. В отличие от термометров первичный преобразователь пирометра не подвергается влиянию высокой температуры и не искажает температурного поля, т. к. находится вне измеряемой среды. Такой метод измерения принято называть бесконтактным.

Теоретические основы методов измерения температуры тел по их тепловому излучению

С повышением температуры нагретого тела интенсивность его теплового излучения в виде электромагнитных волн различной длины быстро возрастает. При нагреве до 500⁰С тело излучает невидимые инфракрасные лучи большой длины волны, дальнейшее увеличение температуры вызывает появление и видимых лучей меньшей длины, благодаря которым тело начинает светиться (видимая часть спектра лежит в пределах длин волн 0,4 – 0,76 мкм). При увеличении температуры сначала тело имеет темно-красный цвет, затем красный, оранжевый, желтый и белый цвета.

Одновременно с увеличением температуры тела возрастает интенсивность частичного (монохроматического или одноцветного) излучения (яркость) для данной эффективной длины волны, а также заметно увеличивается интенсивность суммарного излучения (радиация) телом энергии, что позволяет использовать эти свойства для измерения температуры нагретых тел.

Методы измерения температур, использующие свойства теплового излучения тел, вытекающие из законов излучения абсолютно черного тела, нашли широкое практическое применение. Под абсолютно черным телом понимают тело, которое поглощает всю падающую на него лучистую энергию. Такие тела в природе отсутствуют, но модель черного тела можно осуществить с достаточной степенью приближения – замкнутая камера с отверстием.

Интенсивность частичного излучения черного тела E_,T описывается уравнением Планка

, [Вт/м³], (4.23)

где С₁ и С₂ – постоянные (С₁ = 3,7410^-16 Втм² и С₂ = 1,4410^-2 мК),  – эффективная длина волны, м. С увеличением температуры интенсивность сильно увеличивается, максимум смещается в стороны коротких волн (рис. 13) [5].

Рис. 13. Зависимость энергетической яркости черного тела (R₀(λ,T) = =πE_λ,T) от длины волны и абсолютной температуры

Для области видимых лучей ( = 0,4 – 0,76) и невысоких температур (до 2900 К) это уравнение упрощается (ошибка 1%) – закон Вина:

. (4.24)

Уравнение (4.24) положено в основу измерения температуры по интенсивности частичного излучения (яркости) нагретого тела в лучах эффективной длины волны , равной 0,65 мкм (красный цвет), при помощи приборов, называемых пирометрами частичного излучения.

Интенсивность суммарного излучения E_T (Вт/м²) черного тела при различных температурах определяется площадью, ограниченной кривой (см. рис. 13), и ее можно найти путем интегрирования уравнения (4.23) в пределах =0 – . В результате получаем

E_T=T⁴. (4.25)

Это закон Стефана-Больцмана. Здесь  – постоянная, равная 5,7510^-16.

Уравнение (4.25) положено в основу измерения температуры по интенсивности суммарного излучения (радиации) нагретого тела посредством приборов, называемых пирометрами суммарного излучения.

Из соотношения (4.24) для различных T₁ и T₂ можно определить степень возрастания интенсивности излучения

и .

Логарифмируя и вычитая, получим

. (4.26)

Кроме того, из уравнения (4.25) получим

. (4.27)

Если сравнить относительное возрастание интенсивности частичного излучения и суммарного излучения для черного тела (формулы (4.26) и (4.27)), можно увидеть, что интенсивность частичного излучения возрастает много быстрее, чем интенсивность суммарного излучения. В силу этого пирометры частичного изучения являются приборами более точными, чем пирометры суммарного излучения.

Поскольку иE_T зависят от физических свойств тела, шкалы пирометров градуируются по излучению черного тела, т.е. в градусах так называемой черной (условной) температуры. В связи с тем, что все физические тела имеют излучающую и поглощающую способность меньше, чем у абсолютно черного тела, то пирометры частичного изучения показывают черную температуру яркостную, а пирометры суммарного излучения показывают черную температуру радиационную, т.е. эти температуры всегда более низкие, чем действительная температура нагретого тела.

Яркостной температурой T_s физического тела в свете длины волны  называется такая температура абсолютно черного тела Т, при которой яркость физического тела равна яркости абсолютно четного тела при температуре T_s.

При цветовом методе измерения температуры тела пользуются пирометром с исчезающей нитью.

Оптические пирометры с исчезающей нитью и фотоэлектрические пирометры

Принцип действия оптического пирометра с исчезающей нитью основан на сравнении в лучах определенной длины волны яркости исследуемого тела с яркостью нити пирометрической лампы, установленной внутри прибора. Этот пирометр применяется для измерения температур выше 800⁰С. При измерении температуры тела с помощью пирометров температурное поле объекта измерения не искажается, т.к. измерение осуществляется бесконтактным методом, что является существенным преимуществом по сравнению с другими датчиками измерения температур. Кроме того, верхний предел температур, измеряемый пирометрами, неограничен.

Основным недостатком пирометров с исчезающей нитью является то, что нуль-индикатором у этих приборов служит человеческий глаз. Вследствие этого измерения оптическими пирометрами отличаются известной субъективностью. Кроме того, оптические пирометры позволяют производить измерение только яркостной температуры, что также является их недостатком.

Принципиальная схема оптического пирометра с исчезающей нитью изображена на рис. 14. Пирометр состоит из телескопа, в фокусе объектива которого помещена пирометрическая лампа с вольфрамовой нитью в форме дуги, нагреваемой от источника тока. Перед окуляром, предназначенным для наблюдения изображения источника излучения и нити, находится красный светофильтр, пропускающий только лучи определенной длины. Это дает возможность измерения температуры производить на основе закона возрастания с температурой интенсивности монохроматического излучения. Накал нити лампы, а следовательно, и ее яркость зависят от силы тока, протекающего по нити, которая регулируется с помощью реостата, встроенного в телескоп. В качестве показывающего прибора для измерения тока накала нити служит миллиамперметр со шкалой, часто отградуированной уже в ⁰С. При наводке и фокусировке телескопа объектив его перемещают вдоль оптической оси, добиваясь совпадения плоскости изображения излучателя с плоскостью нити пирометрической лампы.

Когда телескоп сфокусирован на источник излучения, температура которого измеряется, и лампа включена, то в поле зрения на светлом фоне изображения источника видна нить в виде дуги. Если нить нагрета до температуры, меньшей, чем источник излучения, то ее яркость будет меньше, чем яркость фона изображения объекта, и нить представится в виде темной дуги (рис. 15). Если нить нагрета до температуры, большей, чем излучающий объект, то она выглядит как светлая дуга на темном фоне. Если температура нити и объекта одинаковы, то нить исчезает.

Рис. 14. Принципиальная схема оптического пирометра с исчезающей нитью: 1 – телескоп, 2 – окуляр, 3 – светофильтр, 4 – пирометрическая лампа, 5 – диафрагма, 6 – реостат, 7 – поглощающее стекло, 8 – миллиамперметр

Рис. 15. Нить оптического пирометра: а) – температура нити ниже температуры излучателя, б) – температура нити выше температуры излучателя, в) – температура нити равна температуре излучателя

При использовании пирометра нужно следить за тем, чтобы нить не перегревалась выше 1400⁰С. Для измерения температуры выше 1400⁰С телескоп пирометра снабжают поглощающим фильтром, помещаемым между объективом и пирометрической лампой. Поглощающий фильтр ослабляет яркость излучения объекта, что дает возможность измерения производить при температуре нити накала, меньшей 1400⁰С. При этом должна вводиться поправка, связанная с поглощением в стекле.

Если в оптических пирометрах с исчезающей нитью нуль-индикатором служит человеческий глаз, то в фотоэлектрических пирометрах световой поток, испускаемый нагретым телом, а значит, и температура тела измеряются с помощью фотоэлемента, фототок которого пропорционален падающему на него световому потоку.

В приборах первого вида световой поток, испускаемый нагретым телом, предварительно пропускается через светофильтр, который выделяет из него лучи определенной длины волны. Эти лучи определенной длины волны попадают затем на фотоэлемент, в котором возникает ток, по величине которого судят о температуре тела.

В пирометрах второго вида на фотоэлемент при помощи объектива направляется полный световой поток, излучаемый телом.

Фотоэлектрические пирометры так же, как и пирометры с исчезающей нитью, градуируются по абсолютно черному телу. Достоинством фотоэлектрических пирометров является то, что они позволяют измерять температуру нагретых тел объективным и безынерционным методом. Кроме того, показания фотоэлектрических пирометров могут записываться и передаваться на расстояние. Перечисленными достоинствами обладают также радиационные пирометры.

Радиационные пирометры

Радиационные пирометры основаны на тепловом действии лучей нагретого тела, температура которого подлежит измерению. Отсюда очевидно, что радиационный пирометр должен быть снабжен специальным устройством для концентрации потока энергии, исходящего от излучателя на теплочувствительном органе, по нагреванию которого судят о температуре излучающего тела. Концентрация лучей, исходящих из источника на теплочувствительный элемент пирометра, обычно осуществляется с помощью вогнутого зеркала или лучепреломляющей линзы. Их применение способствует увеличению потока энергии, попадающего на теплочувствительный орган пирометра, что повышает его чувствительность.

В качестве теплочувствительного органа пирометра используют миниатюрную термобатарею из нескольких последовательно соединенных термопар (гипертермопара), горячие спаи которых обычно монтируются на зачерненной пластинке из платиновой фольги. В качестве показывающих и самопишущих приборов для радиационных пирометров используются пирометрические милливольтметры и потенциометры.

Вследствие сложной зависимости термоэдс термобатареи радиационного пирометра от температуры источника и необходимости учитывать ряд побочных факторов шкала его градуируется непосредственно по абсолютно черному телу.

Поверка пирометров

Промышленные оптические пирометры поверяются путем сравнения их показаний с температурой нити накала образцовой температурной лампы или с помощью образцового пирометра.

Образцовая температурная лампа служит для воспроизведения яркостной температуры в диапазоне 900–2000⁰С. Она представляет собой лампу с вольфрамовой лентой накала.

При поверке пирометра по температурной лампе телескоп наводится на накаленную поверхность ленты, и показания пирометра сравниваются с соответствующими значениями яркостной температуры, определяемой по силе тока, проходящего через температурную лампу.

Поверка оптического пирометра методом сравнения с показаниями образцового пирометра производится путем одновременной наводки на излучатель обоих телескопов, установленных под одинаковым углом к излучателю.

Радиационные пирометры обычно поверяются посредством сравнения их показаний с показаниями образцового пирометра того же типа.