Глава 2. Бесконтактные методы измерения температуры

Все тела с температурой выше абсолютного нуля излучают электромагнитные волны с непрерывным спектром во всём диапазоне длин волн. Фиксируя это излучение можно определить температуру тела, а также распределение температуры по его поверхности.

Теория идеального объекта, названного «абсолютно чёрное тело» и создающего максимальную теоретически возможную при данной температуре мощность излучения, была создана Максом Планком в 1900-м году. В соответствии с ней спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется формулой:

(1)

где:

u – мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в единичном интервале длин волн на единицу телесного угла [Дж·с⁻¹·м⁻³·ср⁻¹];

λ – длина волны [м];

T – абсолютная температура излучающей поверхности [К];

h – постоянная Планка, равная 6,626·10^-34 Дж·c;

с – скорость света в вакууме, равная 299 792 458 м/с;

k – постоянная Больцмана, равная 1,381·10^-23 Дж/К;

e – основание натурального логарифма, примерно равное 2,718.

Любая реальная поверхность всегда излучает меньше, чем поверхность идеально чёрного тела. Отношение мощности излучения единицы поверхности данного тела к мощности излучения единицы поверхности абсолютно чёрного тела называют коэффициентом излучения. Коэффициент излучения реальных тел в большинстве случаев находится в диапазоне от 0,02 до 0,98 и меняется в зависимости от участка спектра и температуры. Непостоянство коэффициента излучения реальных объектов составляет одну из основных проблем бесконтактных измерений температуры.

Для определения распределения температуры, а не температуры в одной точке или усреднённо по всей поверхности, используют объектив, прозрачный в рабочем участке спектра, и матрицу чувствительных к электромагнитному излучению датчиков. Объектив фокусирует собственное тепловое излучение исследуемого объекта на матрице, создавая на ней изображение этого объекта.

Важным вопросом является то, от каких факторов, кроме температуры и материала исследуемого объекта, зависит энергия излучения, поглощённая элементом матрицы.

Такими факторами в общем случае являются:

· микроструктура поверхности;

· загрязнения поверхности;

· отражение поверхностью излучения других объектов;

· всевозможные преграды на пути от объекта к прибору (сетчатые электроды, окна, слой воздуха);

· настройки объектива;

· настройки самой матрицы;

· специально устанавливаемые светофильтры;

· взаимное расположение объекта и прибора.

Для получения достоверных данных о температуре поверхности необходима оценка влияния каждого из этих факторов. Каждый из них может оказаться как пренебрежимо малым, так и решающим в данном конкретном случае.