Измерение температуры

Рис. 6. Оптический пирометр с исчезающей нитью.

Одним из наиболее распространенных квазимонохроматических пирометров является пирометр с исчезающей нитью. Он состоит из телескопа 1, в фокусе которого помещена вольфрамовая нить пирометрической лампы 2, окуляра 3, через который наблюдатель проводит измерение. За окуляром установлен светофильтр 5, пропускающий лучи лишь одной длины волны. Между объективом телескопа и пирометрической лампой помещено поглощающее стекло 6, которое предназначено для ослабления яркости исследуемого объекта при измерении температур выше 1400°С. Регулировка тока накала пирометрической лампы осуществляется реостатом 7. В качестве показывающего прибора используется миллиамперметр 8. Рассмотренный пирометр работает по методу сравнения в узком интервале длин волн видимой области спектра яркости измеряемого тела с яркостью контрольного излучателя – накаленной нити вольфрама. Благоприятная для чувствительного глаза длина волны (l = 0,65мкм) в видимой части спектра обеспечивается установкой красного светофильтра. Изменяя энергетическую яркость контрольного излучателя посредством изменения мощности нагрева нити пирометрической лампы 2, с помощью реостата 7 достигается условие исчезновения верхней части нити накала на фоне изображения исследуемого тела, что соответствует равенству энергетической яркости исследуемого объекта и контрольного излучателя. Таким образом, по величине тока накала пирометрической лампы замеренная температура определяется либо с помощью градуировочной характеристики, либо непосредственно отсчитывается по температурной шкале прибора. Существенным недостатком этого прибора является субъективность полученных результатов измерения, которые зависят от чувствительности человеческого глаза. Поэтому в настоящее время разработаны приборы, где в качестве светочувствительного элемента применяют фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы, например, автоматический квазимонохроматический фотоэлектрический пирометр. Кроме получения объективных результатов измерения температуры, такие приборы позволяют автоматизировать и соответственно ускорять процесс измерения, используя в них в качестве измерительного прибора быстродействующие автоматические потенциометры. Допускаемая погрешность таких приборов достигает 1,5 % от верхнего предела измерения.

б) Принцип работы пирометров спектрального отношения основан на измерении температуры путем измерения соотношения энергетических яркостей нагретого тела на двух узких участках длин волн в видимом спектре излучения. Действительная температура тела Т определяется по цветовой температуре Т_ц из соотношения:

=

Чтобы определить действительную температуру Т по его цветовой температуре Т_ц, показываемой пирометром, необходимо знать длины волн l₁ и l₂, при которых определяется отношение спектральных энергетических яркостей и отношение коэффициентов черноты e_l1Т, e_l2Т при данных длинах волн. Ввиду того, что отношение e_l1Т, e_l2Т близко к единице, данный тип пирометров имеет наименьшую погрешность измерения, не превышающую 1% от верхнего предела измерения. Предел измерения температур составляет от 200 до 2800⁰С. Светочувствительным элементом пирометров спектрального отношения является фотоэлемент. Широкое распространение в области измерений нашел прибор ПИТ-1 (пирометр истинной температуры). В этом приборе осуществляется автоматическое введение поправки, вычисляемой на основе информации, хранящейся в его памяти.

в) Пирометры полного излучения осуществляют измерения температуры путем измерения полной энергетической яркости тела. Действительная температура тела Т определяется по радиационной температуре Т_р пирометра:

Из этого выражения видно, что для определения действительной температуры тела Т по радиационной температуре Т_р необходимо знать только значение интегрального коэффициента черноты тела e_Т. Однако на практике точно определить значение величины e_Т представляет большие трудности, поэтому такие пирометры имеют наибольшую методическую погрешность. Рекомендуемый диапазон измерения температур составляет от 30 до 2500⁰ С. В качестве чувствительного элемента, воспринимающего излучение, применяются термические приемники излучения: термобатареи или болометры (терморезисторы). Для концентрации излучения на спаях термобатареи используют рефракторные (с собирающей линзой) или рефлекторные (с вогнутым зеркалом) оптические системы. В нашей стране серийно выпускаются пирометры типа АПИР – С.

Кроме описанных приборов для измерения температуры, нашедших широкое применение в практике, в особых случаях могут быть применены устройства, принцип работы которых основан на иных физических или химических эффектах.

Существуют контактный и бесконтактный методы измерения температуры.

1. К контактным методам относятся методы измерения температуры с помощью терморезисторов. Используется зависимость сопротивления от температуры. Терморезистор включают в мостовую схему и по изменению напряжения в диагонали моста судят о температуре объекта.

Термопары, использующие явление возникновения ЭДС, пропорционально разности температур холодного и горячего слоя.

2. Бесконтактные методы.

Часть тепловой энергии от объекта передается с помощью теплового электромагнитного излучения, анализируя параметры которого можно судить о температуре объекта. Спектральное распределение плотности энергии излучения определяется формулой Планка: .

А световой поток, попадающий на фотоприемное устройство и определяющий величину электрического сигнала, определяется выражением: , где С ₁, С ₂ - const; l - длина волны максимального светового потока излучения (максимум спектра излучения); Т - температура, К; А - коэффициент использования светового потока от объекта излучения, который зависит от типа применяемой оптической системы и равен отношению полного светового потока к той части, которая воспринимается приемником излучения. t _l - коэффициент спектрального пропускания оптической системы.

Полное излучение определяется законом Буггера-Лаберта-Берра.

Интеграл, определяющий полный световой поток, падающий на фотоприемник аналитически неопределим. Его определяют с помощью таблиц или графически. Однако, с относительной погрешностью: ,

формула Планка аппроксимируется формулой, которая определяет спектр и плотность излучения: и данная формула в видимой, ближней и средней ИК областях. Чем выше температура, тем меньше погрешность.

Согласно данному закону максимум спектра излучения имеет вид:

	tl - коэффициент пропускания фильтров, равен произведению коэффициентов пропускания элементов оптической системы. Временная фильтрация работает кратковременно - модулирование полезного сигнала - перенос спектра частот.
	Для повышения отношения полезного сигнала к шуму используют четыре типа фильтрации: 1. Спектральная; 2. Пространственная (за счет направленного действия оптической системы); 3. Временная (за счет модуляции светового излучения); 4. Поляризационная (за счет применения поляризаторов, выделяющих вектор полярности электрического поля световой волны определенной ориентации);