Термометрія за випромінюванням тіла
Усі фізичні тіла, температура яких є більшою за абсолютний нуль, випромінюють теплові промені. Засоби вимірювань, з допомогою яких визначають температуру тіл за їх тепловим випромінюванням, називаються пірометрами випромінювання або просто пірометрами.
Теплове випромінювання являє собою електромагнітне випромінювання речовиною за рахунок її внутрішньої енергії (на противагу, наприклад, люмінісценції, яка збуджується зовнішніми джерелами енергії).
У зв’язку з тим, що інтенсивність теплового випромінювання зменшується із зменшенням температури тіл, пірометри застосовуються в основному для вимірювання температур в межах від 300 до 6000 
. Для вимірювання температур вище 3000 методи пірометрії є практично єдиними, оскільки вони не вимагають безпосереднього контакту давача приладу з об’єктом вимірювання. Теоретично верхня межа вимірювання температури пірометрами випромінювання є необмеженою.
Більшість твердих і рідких тіл мають суцільний спектр випромінювання, іншими словами випромінюють хвилі всіх довжин 
від 0 до 
.
Видиме людським оком випромінення, яке називається світлом, знаходиться в межах довжин хвиль від 0,40 до 0, 75 мкм. Невидимі промені охоплюють інфрачервону ділянку спектру в межах від 
до 
мкм, за якою відбувається перехід в радіохвильовий діапазон. Хвилі з 
мкм є також невидимими і відносяться до ультрафіолетових, за якими знаходяться рентгенівські та гамма- промені.
|
|
|
В пірометрах випромінювання використовуються в основному промені видимого і інфрачервоного спектру випромінювання.
Пірометри повного випромінювання, радіаційні пірометри
Визначення температури за випромінюванням тіл грунтується на законах, які встановлюють зв'язок між температурою досліджуваного об'єкта і його спектральною світністю. Іншими словами кількістю енергії, яка випромінюється за одиницю часу з одиниці поверхні досліджуваного об'єкта і яка знаходиться в певному діапазоні довжин хвиль. Залежно від спектральної чутливості, пристрої для вимірювання температури за випромінюванням поділяють на радіаційні, квазімоно-хроматичні та спектрального випромінювання.
Теоретичною основою радіаційної пірометрії є закон Стефана—Больцмана, який встановлює зв'язок між інтегральним значенням спектральної світності, тобто енергетичною світністю 
, і абсолютною температурою випромінювача. Пристрої, які грунтуються на цьому принципі, називаються пірометрами повного (або сумарного) випромінювання.
Радіаційні пірометри є прості за будовою, проте за точністю вони поступаються іншим приладам для вимірювання температури за випромінюванням. Конструктивно радіаційний пірометр складається з оптичної системи (телескопа), первинного перетворювача потоку випромінювання в електричний сигнал і вторинного вимірювального приладу. В якості первинного перетворювача використовують зачорнені термоелектричні перетворювачі (болометри), які є чутливими до всіх довжин хвиль потоку випромінювання, що ними сприймаються.
|
|
|
Рис. 2.11. Будова пірометрів повного випромінювання
Застосовують два різновиди оптичних систем радіаційних пірометрів: рефракторна (з заломлювальною лінзою) і рефлекторна (з відбивальним внутрішнім дзеркалом). В рефракторному пірометрі (рис. 2.11 а) випромінювання від досліджуваного об'єкта 1 надходить до об'єктиву (лінзи) 2 і через діафрагму 3 фокусується на гарячому спаї термопари. Термо-ЕРС, що виникає, вимірюється мілівольтметром, який проградуюйований в одиницях вимірюваної температури. Для компенсації похибки від зміни температури вільних кінців термоперетворювачів використовують пристрій 5 автоматичної корекції похибки у формі, наприклад, мостової схеми. Для спрямування телескопа на об'єкт вимірювання служить окуляр 6 і діафрагма 7.
У рефлекторному телескопі (рис. 2.11 б) випромінювання від досліджуваного об'єкта 1 через діафрагму 2 надходить до рефлектора 3, відбивається і фокусується на гарячих спаях термопари. Вимірювальне коло в цьому випадку є ідентичним попередньому.
|
|
|
Радіаційні пірометри градуюються за чорним випромінювачем. Тому при вимірюванні температури реальних (не чорних) тіл в результаті їхньої меншої випромінювальної здатності, радіаційні пірометри показують не дійсну температуру 
об'єкта, а нижчу (так звану радіаційну температуру 
). За законами Стефана–Больцмана енергетична світність абсолютно чорного тіла 
визначиться як
, (2.26)
звідки радіаційна температура дорівнюватиме
, (2.27)
де 
.
Для реального тіла енергетична світність і дійсне значення температури зв'язані між собою наступною залежністю
, а 
, (2.28)
де 
- коефіцієнт сумарного випромінювання, який дорівнює відношенню енергетичної світності досліджуваного об'єкта до енергетичної світності чорного тіла при цій же температурі.
Отже, радіаційна температура , що виміряна пірометром, зв'язана з дійсним значенням температури досліджуваного об'єкта залежністю
|
|
|
, а 
. (2.29)
Поправка 
, яку необхідно додати до виміряної пірометром радіаційної температури для отримання дійсного значення температури досліджуваного об’єкта, визначається як
, (2.30)
а відносна похибка 
, яка викликана неврахуванням коефіцієнта сумарного випромінювання досліджуваного об'єкта
, (2.31)
становить для 
наближено 3 %, для 
- близько 6 %, а для 
досягає 35 %.
Для реальних фізичних об'єктів визначається його властивостями і знаходиться в межах від 0,9...0,95 до 0,1. Тому радіаційні вимірювання температури для внесення поправок супроводжуються здебільшого попередньою оцінкою . Цього можна досягнути попереднім градуюванням радіаційного пірометра. Суть цього полягає в одночасному вимірюванні температури об'єкта за допомогою зазначеного пірометра та засобу, що вимірює не радіаційну, а дійсну температуру, наприклад, за допомогою термоелектричного термометра.
Пірометри повного випромінювання наприклад типу АПИР-С призначені для вимірювання температури в межах від 30 до З000 з похибкою від 1,5 до 2 %.
Яскравісні пірометри.
Пірометри, принцип дії яких грунтується на залежності від температури спектральної світності або пропорційної до неї спектральної яскравості (спектральної світності віднесеної до одиниці просторового кута), називають квазімонохроматичними або яскравісними. Найбільш розповсюдженими серед яскравісних пірометрів є пірометри із ниткою розжарення (рис. 2.12 а), які називаються також оптичними пірометрами. При вимірюванні такими пірометрами, випромінювання від об'єкта 1 через об'єктив 2 фокусується на нитку розжарення пірометричної лампи 4. Між об'єктивом та пірометричною лампою при вимірюванні температури понад 1500 (допустима температура нитки розжарювання) ставиться поглинальне скло 3. Зображення об'єкта дослідження і нитки розжарення пірометричної лампи при вимірюванні температури спостерігається пірометристом через окуляр 6. Між окуляром і пірометричною лампою знаходиться червоний світлофільтр 5.
Рис. 2.12. Принцип дії оптичного пірометра
Розжарення нитки пірометричної лампи змінюють шляхом регулювання величини струму за допомогою регулівного реостата 
. Величина струму вимірюється приладом, проградуйованим в одиницях вимірюваної температури.
Данний пірометр чутливий до енергетичної світності (яскравості) дуже вузького діапазону довжин хвиль в області так званої ефективної довжини хвиль 
. Спектральна чутливість ока людини характеризується чутливістю 
, (рис. 2.12 б), а червоний світлофільтр - спектральним коефіцієнтом пропускання 
.
Таким чином ефективна чутливість такої системи 
має максимум при і зменшується до нуля при довжинах хвиль, які відрізняються від 
навіть на 
.
Аналогічно пірометрам повного випромінювання, яскравісні пірометри градуюються за чорним випромінювачем. Тому так звана яскравісна температура 
реального не чорного тіла з монохроматичним коефіцієнтом теплового випромінювання 
буде відрізнятись від дійсної . Поправка 
, яку необхідно додати до виміряної яскравісної температури для визначення дійсного значення температури , дорівнює
, (2.32)
де 
- монохроматичний коефіцієнт, який характеризує ступінь відхилення дійсної температури від яскравісної і відносну похибку 
від нехтування коефіцієнтом 
теплового випромінювання
. (2.33)
Значення останнього для хвиль завдовжки 
залежно від при вимірюванні температури близько 1000 К, становить для 
близько 0,5 %, для 
близько 1 %, а для 
близько 6 %. За інших ідентичних умов, при 
для ця похибка може наближатись до 20%.
У пірометрі з ниткою розжарювання, під час вимірювання температури змінюють температуру нитки пірометричної лампи. Існують конструкції, в яких розжарювання лампи при вимірюванні підтримується сталим. Змінюється уявна світність об'єкта за допомогою поглинального клина, який розміщений між лампою та об'єктом дослідження. Поглинальний клин має змінний коефіцієнт пропускання, який залежить від положення клина. Останній виконується у вигляді кільця, яке повертається під час вимірювання температури навколо осі, змінюючи коефіцієнт пропускання. З клином пов'язана шкала, яка проградуйована в одиницях яскравісної температури. Пірометри з поглинальним клином відрізняються нижчою точністю, порівняно з пірометрами з регульованим розжаренням пірометричної лампи.
Монохроматичні візуальні пірометри із ниткою розжарення типу "Промінь" призначені для вимірювань температур в межах від 800 до 5 000 . Їхня похибка при вимірюванні від 800 до 1 400 становить 14 , в межах від 1 200 до 2 000 - 20 , а в межах від 1 800 до 5000 - 150 .
Пірометри спектрального випромінювання.
Візуальні пірометри, складовою вимірювального кола яких є око людини, непридатні для роботи в автоматичних системах вимірювання і регулювання температури. Тому дістали розповсюдження квазімонохроматичні фотоелектричні пірометри (як і фотоелектричні пірометри часткового випромінювання). У цих пірометрах фотоелемент в поєднанні з червоним світлофільтром підібрані так, щоб ефективна довжина хвилі такої системи дорівнювала 
. Це забезпечує порівняльність результатів фотоелектричних і оптичних пірометрів.
Фотострум, що створюється фотоелементом є мірою температури. Такі пірометри конструктивно нескладні, але характеризуються низькою точністю. Досконалішими є пристрої, в яких фотоелемент використовується як пристрій в колі порівняння спектральних світностей двох джерел випромінювання: досліджуваного об'єкта і регульованого джерела світла.
Із залежності спектральної світності від температури випромінювача випливає, що в міру збільшення температури тіла максимум його спектральної світності зміщується в бік коротких хвиль. Це в зоні видимого спектра означає зміну кольорів променів максимальної інтенсивності, що наштовхнуло на ідею визначати температуру за кольором променів максимальної інтенсивності (світності). Виміряна за цим методом температура називається колірною. Колірну температуру 
визначають щодо світностей променів двох різних довжин хвиль в границях видимого спектра за допомогою так званих пірометрів відношення.
Рис. 2.13. Схема пірометра спектрального випромінювання
Реалізація пірометрів спектрального відношення значно складніша, ніж пірометрів часткового монохроматичного випромінювання. Спрощена схема такого пірометра наведена на рис. 2.13. Тут випромінювання від досліджуваного об'єкта 1 фокусується об'єктивом 2 в площині діафрагми 3 і через біхроматичний модулятор 4, оптичну систему 5 і діафрагму 6 потрапляє на приймач випромінювань 7, яким може бути фотодіод чи фоторезистор. Діафрагма 3 - це калібрований отвір в круглій пластині із дзеркальною поверхнею. Зображення об'єкта в площині діафрагми 3 спостерігається візирним пристроєм, який складається з дзеркала та стандартного мікроскопа. З біхроматичного модулятора на приймач випромінювань почергово потрапляють потоки випромінювання досліджуваного об'єкта в двох різних ділянках спектра. Для цього застосовують два світлофільтри, які закріплені на диску біхроматичного модулятора, що обертається, за допомогою двигуна ДС. Отже, сигнал з приймача випромінювань представляє собою послідовність імпульсів, що чергуються, і пропорційних енергетичній світності досліджуваного об'єкта в двох спектральних інтервалах. Ці імпульси, підсилені попереднім підсилювачем ПП, надходять до електронного блоку проміжного перетворювача сигналів ППС, який реалізує функцію перетворення пірометра спектрального відношення і виробляє вихідний сигнал 
, зв'язаний з вимірюваною колірною температурою лінійною залежністю. Вихідним сигналом ППС є напруга постійного струму 0...1 В, яка може вимірюватись вихідним приладом 
, проградуйованим у одиницях вимірюваної температури. Передбачено також вихід 
для увімкнення автоматичного потенціометра.
Пірометри спектрального відношення, наприклад, типу "Веселка" відрізняються високими чутливістю і точністю. Діапазон вимірювань різних модифікацій цих приладів знаходиться в межах від 750 до 2900 , а основна похибка становить 0,6 %.
Запитання для самоконтролю
1. Пірометри як засоби вимірювання температури тіл за їх тепловим випромінюванням.
2. Пірометри рефрактори.
3. Пірометри рефлектори.
4. Яскравісні пірометри з ниткою розжарення.
5. Пірометри спектрального випромінювання.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 458; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!