double arrow

Бесконтактная (радиационная) термометрия

5.1. Основы теории

Пирометры (от греческого «пирос􀂪 – огонь) – это средства

бесконтактных дистанционных измерений температуры. Первоначально они

использовались только при измерениях высоких температур (выше 600°С),

при которых свечение нагретых тел становится видимым для человеческого

глаза.

Принцип действия пирометров основан на зависимости яркости I или

плотности потока q теплового излучения нагретых тел от их температуры Т.

В первом случае используют зависимость T I I , основанную на

законе Планка. Эта зависимость, как следует из закона, не является

однозначной, так как яркость тел зависит ещѐ и от длины волны.

Максимальная яркость при температуре Тсоответствует длине max

теплового излучения, которая определяется законом «смещения􀂪 Вина:

1 2

Т

max

(мкм),

где Т– значение температуры излучателя, К.

Например, при Т= 280 К ( ˜7 °С) максимум яркости тела соответствует

max

˜ 10 мкм. Поэтому современные пирометры, позволяющие измерять

температуру от -70 °С используют фотоприѐмники, имеющие спектральный

диапазон чувствительности от 8 до 14 мкм, соответствующий инфракрасному

диапазону длин волн теплового излучения.

Такие низкотемпературные бесконтактные измерители температуры уже

не соответствуют первоначальному термину «пирометры􀂪 (измерители

температуры огня). Поэтому сейчас средства измерений температуры,

реализующие бесконтактный метод, принято называть радиационными

термометрами.

5.2. Яркостные пирометры

Пирометры, основанные на измерениях яркости, называют яркостными.

Для получения однозначной зависимости от температуры в них используют

светофильтры, обычно, красного цвета, которые соответствуют наибольшей

яркости в видимом диапазоне длин волн. Видимый диапазон наиболее

востребован в металлургических процессах для бесконтактных измерений

температуры от 800 °С и выше. С учѐтом этого такие пирометры называют

яркостными монохроматическими.

5 4 3 1 2

1 – объект; 2 – объектив; 3 – поглощающий светофильтр; 4 – пирометрическая лампа;

5 – красный светофильтр; 6 – окуляр; 7 – глаз; 8 – регулятор тока

Рисунок 5.1. – Устройство и принцип действия яркостного

монохроматического пирометра

Принципиальная схема классического яркостного пирометра, приведена

на рисунке 5.1. Излучение от нагретого объекта 1, имеющего температуру

х

Т

и яркость

х

I , проходит через объектив 2, фокусируется в плоскости нити

накала специальной пирометрической лампочки 4. Окуляр 6 служит для

получения резкого изображения нити накала лампочки, наблюдаемой через

красный светофильтр 5 глазом 7 оператора.

Пирометрическая лампочка включена в электрическую цепь регулятора

тока 8, содержащую источник питания, измеритель тока и переменный

резистор, изменяя сопротивление которого можно регулировать температуру

нити накала лампочки. Пирометрическая лампочка выполняет функцию

встроенного эталона-носителя температурной шкалы. При выпуске

пирометра из производства устанавливают зависимость проходящего тока, а,

соответственно, яркости нити накала лампочки от температуры.

Устанавливая ток в нити накала, оператор тем самым задаѐт значение еѐ

температуры. Это значение можно найти по зависимости тока от

температуры, используя показания измерителя тока, или по шкале

переменного резистора, градуированного в °С. Подгоняя регулировкой тока

яркость лампочки до яркости объекта оператор находит искомое значение

температуры объекта.

Для расширения диапазона измеряемых температур в область высоких

значений используют поглощающий светофильтр 3, который обеспечивает

безопасную для зрения оператора яркость объекта.

Яркостные пирометры обычно используют для измерений температуры

в диапазоне от 400 до 6000 °С. Их минимальная погрешность составляет

0,5°С.

1 – объект; 2 – объектив; 3 – чувствительный элемент; 4 – окуляр; 5 – милливольтметр.

Рисунок 5.2. – Устройство и принцип действия радиационного пирометра

5.3. Пирометры полного и частичного излучений

Другой распространенной разновидностью бесконтактных средств

термометрии являются пирометры полного или частичного излучения. Часто

такие пирометры называют радиационными. В отличие от яркостных

пирометров, использующих, как правило, одну длину волны в спектре

теплового излучения нагретых тел, пирометры полного или частичного

излучения используют энергию практически всего спектра или наиболее

интенсивной его части. Устройство таких пирометров представлено на

рисунке 5.2.

Объект измерения 1 излучает тепловой поток плотностью q, который в

соответствие с законом Стефана-Больцмана пропорционален четвертой

степени абсолютной температуры объекта. Объектив 2 концентрирует

излучение объекта на чувствительном элементе 3, которым может служить

спай термопары 5. Чем выше температура объекта, тем выше плотность

потока теплового излучения с его поверхности и тем сильнее нагревается

спай термопары. Еѐ сигнал измеряют милливольтметром, который может

быть отградуирован в значениях температуры. Окуляр 4 служит для

наведения пирометра на объект.

Спектральный диапазон таких пирометров определяется спектральными

характеристиками объектива и чувствительного элемента. Радиационные

пирометры используют в диапазоне температур от -70 до 2500 °С. Их

погрешность обычно превышает 1 °С.


Сейчас читают про: