27 Бесконтактная пирометрия, закон Планка.

Пирометрические методы измерений температуры ох­ватывают широкий диапазон температур — от 173 до 6000 К. Эти методы основаны на определении параметров теплового излуче­ния объекта без нарушения его температурного поля. Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, воз­буждаемое тепловым движением атомов и молекул в твердых, жидких и газообразных веществах. При температурах выше 400О К излучение вызывается процессами диссоциации и иони­зации.

Теория пирометрических методов измерений температуры основана на законах, устанавливающих связь между излучением абсолютно черного тела (АЧТ) и его температурой

Закон Планка устанавливает связь между абсолютной темпе­ратурой и спектральным распределением потока излучения (све­тимости) АЧТ:

(12-2)

Где - спектральная плотность потока излучения АЧТ; Вт·м²; - соответственно первая и вторая постоянные излучения; с — скорость света; h —постоянная Планка; r — постоянная Больцмана.

При малых значениях можно вместо выражения (12-2) пользоваться законом Вина

Зависимость

изображена на рис(12-11).

Полная энергия, излучаемая с единицы поверхности АЧТ в единицу времени, определяется законом Стефана – Больцмана

, где =5,67032·10^-8 Вт/(м²·К⁴) – постоянная Стефана - Больц­мана.

Как видно, с увеличением температуры макси­мумы кривых сдвигаются в ультрафиолетовую об­ласть спектра, т. е. в сторону более коротких волн. Сдвиг максимума излучения подчиняется закону смещения Вина, установлен­ному в виде двух зависимостей:

где А=28978·10^-7 м·К; b₁=12816·10^-9Bт/(м³·К⁵)

Приборы для измерения температур объектов по их тепловому электро­магнитному излучению называются пирометрами.

Пирометры прямого преобразования обычно состоят из опти­ческой системы, приемника излучения, измерительной цепи с вторичным прибором.

28 Радиационные пирометры. Пирометры полного излучения, или радиационные пирометры.

Эти пирометры основаны на зависимости от температуры инте­гральной мощности излучения АЧТ во всем диапазоне длин волн, определяемой законом Стефана - Больцмана:

Для реального тела эта зависимость определяется выражением

,

где — коэффициент теплового излучения (коэффици­ент излучательной способности), зависящий от материала излучателя и от состояния и температуры его поверхности. Пирометр, гра­дуированный по излучению АЧТ, при измерении на реальном объекте покажет так называемую радиационную температуру Т_p, значение которой всегда меньше действительной температуры объекта Т. Радиационной температурой объекта называется та­кая температура АЧТ, при которой его полная мощность излучения

(плотность излучении во всем диапазоне длин волн - от λ₁=0 до λ₂∞) равна полной мощности излучения рассматривае­мого объекта при температуре Т.

Связь между Т_р и Т определяется из равенства

откуда

Пирометры полного излучения применяются для измерения в диапазоне температур от -50 до +3500°С. Наиболее целесо­образно использовать такие пирометры для измерения темпера­туры объектов, излучательные свойства которых мало отлича­ются от свойств АЧТ.

При­емники излучения в пирометрах полного излучения должны иметь спектральную характеристику, близкую к характеристике АЧТ. Для повышения точности пирометров полного излучения в корпусе телескопа устанавливается образцовый источник излучения в виде АЧТ, температура которого поддерживается посто­янной. При помощи дифференциальной измерительной цепи сравниваются мощности излучения измеряемого объекта и АЧТ, потоки излучения которых с помощью вращающегося или колеблющегося зеркала попеременно подаются на приемник.

Разработаны различные оптические устройства, расширяю­щие области применения пирометров. Например, изготовляются пирометры с волоконной оптикой для измерения температуры в диапазоне 400-З000 °С. Используются световоды длиной до10 м. Такие пирометры обеспечивают измерение температур объ­ектов диаметром от «1 мм, а также температур в герметичных объемах. Такой канал передачи не чувствителен к помехам и из­менениям параметров промежуточной среды.