5.Лабораторная работа №4. Определение температуры и излучательной способности поверхности нагретых тел

Цель работы заключается в ознакомлении с принципом бесконтактного измерения температуры и методом определения излучательной способности поверхности различных объектов.

Измерение температуры нагретых тел пирометрами излучения давно вошло в практику цехов и лабораторий в различных отраслях промышленности и науки для автоматического контроля и регулирования процессов, протекающих при высоких температурах, где использование средств контактной термометрии затруднено или вообще невозможно.

В контактной термометрии (термоэлектрические преобразователи, термометры сопротивления, термометры расширения) точность измерения обуславливается инструментальной погрешностью средств измерений. В пирометрии излучения точность измерений обуславливается в основном неконтролируемыми изменениями излучательных характеристик объекта измерения, что ведет к появлению существенной по величине методической погрешности.

Эта погрешность излучения может быть исключена в некоторых случаях, когда имеется предварительная информация об излучательных характеристиках объектов измерения.

В основе всех методов бесконтактного измерения температуры тел лежат объективные законы теплового электромагнитного излучения. Все тела непрерывно излучают в окружающее пространство электромагнитную энергию, которая зависит не только от абсолютной температуры Т, но и от излучательных характеристик их веществ. При температурах 273–4000К тепловое излучение занимает интервал длин волн примерно 0,7– 10³ мкм, т.е. включает красный участок видимого спектра и инфракрасное излучение.

Закон Стефана-Больцмана определяет зависимость интегральной плотности потока излучения от абсолютной температуры (для абсолютно черного тела):

(10)

где =5,67 Вт/(м²К⁴).

Для реальных тел собственное излучение определяют по формуле:

(11)

где – интегральный коэффициент излучения тела (степень черноты).

Для бесконтактного измерения температуры поверхности твердых тел по их собственному излучению используется инфракрасный термометр С-110. В основе работы термометра лежит принцип преобразования потока инфракрасного излучения объекта, принимаемого чувствительным элементом, в электрический сигнал, пропорциональный плотности потока излучения.

Структурная схема пирометра приведена на рис.10.

Рис.10.Схема пирометра С-110.

О – объектив; М – модулятор; ПИ – приемник излучения; УО – узел обработки сигнала; УИ – узел индикации; ИП – источник питания

Поток инфракрасного излучения, испускаемого объектом, попадает в объектив, где диафрагмируется и фокусируется на приемник излучения. Модулятор преобразует поток излучения из постоянного в переменный. В приемнике излучения мощность падающего на него потока преобразуется в электрическое напряжение, которое затем обрабатывается и выдается в виде цифрового значения температуры в узле индикации.

Установка коэффициента излучения объекта производится вручную в диапазоне от 0,01 до 1,00. Показатель визирования, т.е. отношение размера поверхности на измеряемом объекте к расстоянию до него, определяется для всех видов пирометров данного класса как 1:100. Если расстояния до измеряемого объекта составляет 1 м, то соответствующий размер на измеряемой поверхности составляет 10 мм.

Схема проведения измерений температуры пирометром приведена на рис.11.

Рис.11. Схема измерения температуры нагреваемой пластины пирометром.

1 – пластина с электрообогревом; 2 – пирометр С-110; 3 – накладной датчик с ХА термопарой; 4 – вторичный прибор для измерения термо-э.д.с. термопары.

Лазерный указатель, установленный на пирометре, позволяет выделить область измерения температуры на поверхности объекта и оценить размеры этой области. Для определения коэффициента теплового излучения поверхности и установки его значения на пирометре служит накладной датчик с термопарой, который при проведении измерений плотно прижимается к нагреваемой поверхности. Измерение температуры контактным методом производится вторичным прибором Ф-136 или мультиметром, имеющим термоэлектрический канал.

Требуемое значение определяется из равенства значений температуры, фиксируемой накладной термопарой и пирометром.

Порядок проведения работы.

1. Осмотреть объект измерения и определить его характеристики, влияние на безопасность при проведении измерений.

2. Включить электронагреватель пластины.

3. Через 5-20 минут после включения замерить температуру поверхности накладным датчиком.

4. Включить питание пирометра, проверить работу цифрового индикатора и лазерного указателя.

5. Вторично замерить температуру накладным датчиком, затем навести лазерный указатель на выбранную область измерения и установить значение коэффициента излучения с тем, чтобы показания пирометра и накладного датчика совпадали.

6. Произвести аналогичные замеры температуры на обратной стороне пластины, имеющей другое значение .

7. Данные измерений температуры, коэффициентов и расстояния до объекта измерения записать в таблицу результатов.

Таблица 4.

№ п/п	Поверхность	Температура, измеренная накладным датчиком, tХА, оС	Температура, измеренная пирометром, tп, оС	Коэффициент излучения,	Расстояние до объекта измерения, L
1.	Полированный никель
2.	Медь
3.	Сталь малоуглеродистая
4.	Зачерненная металлическая поверхность

Средняя квадратичная погрешность определения коэффициента излучения в данной работе оценивается следующим образом:

, (12)

где – средняя квадратичная погрешность термопары; – средняя квадратичная погрешность пирометра; – средняя квадратичная погрешность вторичного прибора Ф-136. Для всех перечисленных средств измерений вместо средних квадратичных погрешностей берется предел допускаемой погрешности.