3.1.4. Термометры излучения.

Необходимость в точных бесконтактных измерениях высоких температур возникает во многих случаях, особенно в металлургии. Такие случаи имеют место:

- при перемещении материала, температуру которого необходимо измерить;

- при необходимости измерения температуры в условиях, недопустимых для обычных контактных методов контроля температуры (запыленность, сильное электромагнитное излучение);

- значение температуры превышает высшие границы контактных датчиков (2500 ⁰С).

Наибольшее применение в качестве бесконтактных средств контроля температуры получили так называемые пирометры излучения. Некоторые сведения из теории теплового излучения.

Зависимость интенсивности теплового излучения абсолютно черного тела от его температуры определяется уравнением Планка:

, 3.1

где - первая постоянная излучения; - вторая постоянная излучения;

постоянная Планка; постоянная Больцмана; скорость света в вакууме; абсолютная температура, ; длина волны излучения.

При малых значениях получаем формулу Вина:

3.2

при погрешность отклонения от уравнения Планка не превышает

Приняв, проинтегрировав уравнение Планка, получим уравнение Стефана-Больцмана:

3.3

где постоянная Стефана-Больцмана.

Интенсивность излучения любого физического тела будет меньше интенсивности излучения абсолютно- черного тела: где степень черноты тела;

Излучательная способность зависит от температуры тела, от состояния поверхности и угла визирования.

В технике бесконтактного измерения высоких температур получили распространение:

- яркостные (оптические) пирометры;

- пирометры суммарного и частичного излучения;

- пирометры спектрального отношения.

В качестве приемников излучения применяются фотосопротивления, фотодиоды.

Как действуют яркостные пирометры?

При излучении в узком спектре длины волн температура тела определяется величиной его

спектральной яркости. Соотношение между яркостной температурой и действительной температурой определяется соотношением:

3.4

где монохроматический коэффициент черного тела.

Для измерения яркостных температур используется одна из длин волн в диапазоне 0,6…1.5 мкм.

Пирометры суммарного излучения (радиационные пирометры) используют уравнение

Стефана-Больцмана для абсолютно-черного тела. Для реального тела радиационной температурой

называется температура абсолютно-черного тела, интенсивность теплового излучения которого

во всем диапазоне длин волн такая же, как и у реального тела. С учетом того, что получим 3.5

где действительная температура реального тела; степень черноты тела. Радиационная температура , измеренная по интенсивности суммарного излучения нечерного тела, всегда меньше действительной (истинной) температуры : ( < ).

Приведенная зависимость = соблюдается хорошо для зеркальной оптики. Применение линзовой (не зеркальной) оптики приводит к ограничению спектрального диапазона,

что превращает радиационные пирометры в пирометры частичного излучения. Для любого параметра частичного излучения для каждого конкретного материала можно подобрать показатель

корня. Зависимость радиационной и действительной температурами выражается соотношением

3.6

где для конкретного материала линзы пирометра (для кварцевого стекла n =4,3);

фактическая степень черноты тела в ограниченном спектральном диапазоне.

Температурой частичного излучения называется температура абсолютно-черного тела, при которой интенсивность его теплового излучения в интервале длин волн , формирует

выходной сигнал пирометра такой же величины, как ирреальный объект при его действительной

температуре. В пирометрах частичного излучения, как правило, используется средняя или инфракрасная области спектра.

Пирометры спектрального отношения.

Зависимость спектральной энергетической яркости от температуры используется в пирометрах спектрального отношения.

Температура спектрального отношения (цветовая температура) это температура абсолютно-черного тела, при которой отношение интенсивности излучения в участке спектра с эффективными длинами волн такое же, как и у реального тела.

Таким образом, цветовая температура связана с действительной температурой реального

тела соотношением:

После замены их значениями по формуле Вина (3.2) и логарифмирования полученного выражения зависимость между действительной и температурой спектрального отношения примет вид: 3.7

Для серых излучателей правая часть обращается в нуль и, значит, .

Примером серого излучателя может служить графит

Принципиальная схема пирометра спектрального отношения, реализующая метод измерения

Отношения двух потоков излучения на длинах волн , включает два пирометра и схему обработки двух сигналов для вычисления значений температуры по величине отношения сигналов.

Чувствительность пирометра тем выше, чем больше расстояние между областями спектральной чувствительности, то-есть, чем меньше больше . Однако этот интервал не должен быть слишком велик, чтобы не стала сказываться неравномерность спектра излучательной способности.

У большинства пирометров спектрального отношения ширина спектрального диапазона составляет около 0,2 мкм (0,45…0,65мкм, 0,65…0,88мкм, 0,88…1,03мкм и др.). Наведение на объект измерения осуществляется с помощью оптического прицела, специального осветителя или

лазерного луча.

Из ведущих зарубежных фирм, выпускающих пирометры излучения, можно назвать: - Land

Instruments International Ltd (Англия); - Micron (США); -Raytek (США-Германия); -Siemens (Германия);- Impac(Германия); Heitronics (Германия) ; - OPTEX(Япония) и др.

Среди отечественных производителей пирометров отметим: - «Инфратест» (Екатеринбург),

-КБ «Диполь»(Москва), -«ТЕХНО-АС»(Коломна), - ННТП «Термоконт»(Москва).