• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Тема 7. Термометрія за випромінюванням тіла

Усі фізичні тіла, температура яких є більшою за абсолютний

нуль, випромінюють теплові промені. Засоби вимірювань, з

допомогою яких вимірюють температуру тіл за їх тепловим

випромінюванням, називаються пірометрамивипромінювання

або просто пірометрами.

Теплове

випромінювання

представляє

собою

електромагнітне випромінювання речовиною за рахунок її

внутрішньої енергії (в пртивагу, наприклад, від люмінісценції,

яка збуджується зовнішніми джерелами енергії).

У зв’язку з тим, що інтенсивність теплового випромінювання

різко зменшується із зменшенням температури тіл, пірометри

застосовуються в основному для вимірювання температур в

діапазоні від 300 до 6000⁰C і вище. Для вимірювання

температур вище 3000⁰C методи пірометрії є практично

єдиними, оскільки вони безконтактні (не вимагають

безпосереднього контакту давача приладу з об’єктом

вимірювання). Теоретично верхня межа вимірювання

температури пірометрами випромінювання є необмеженою.

Більшість твердих і рідких тіл сають суцільний спектр

випромінювання, іншими словами випромінюють хвилі всіх

довжин l від 0 до ∞ .

Видиме людським оком випромінення, яке називається

світлом, охоплює діапазон довжин хвиль від 0,40 до 0, 75 мкм.

Невидимі промені охоплюють інфрачервону ділянку спектру з

діапазоном від l = 0,75 до l = 400 мкм, за якою відбувається

перехід в радіохвильовий діапазон. Хвилі з

l < 0, 40 мкм є

також невидимими і відносяться до ультрафіолетового

діапазону, за яким знаходяться рентгенівські та гамма- промені.

В пірометрах випромінювання використовуються в

основному промені видимого і інфрачервоного діапазонів.

Пірометриповноговипромінювання,радіаційніпірометри

Вимірювання температури за випромінюванням тіла

грунтується на викортатанні основних законів випромінювання,

які встановлюють зв'язок між температурою випромінювача

(досліджуваного об'єкта) і його спектральною світністю, тобто

кількістю енергії, яка випромінюється за одиницю часу з

одиниці поверхні досліджуваного об'єкта і яка міститься у

певному діапазоні довжин хвиль. Залежно від спектральної

чутливості

пристрої

вимірювання

температури

за

випромінюванням поділяють на радіаційні,квазімоно-

хроматичнітаспектральноговипромінювання.

Теоретичною основою радіаційної пірометрії є закон

Стефана—Больцмана, який встановлює зв'язок між

інтегральним значенням спектральної світності, тобто

енергетичною світністю R , і абсолютною температурою

випромінювача. Пристрої, які грунтуються на цьому принципі,

називаються пірометрами

випромінювання.

повного (або сумарного)

Радіаційні пірометри є найпростішими за будовою.

Щоправда, вони найменш точні серед приладів, що вимірюють

температуру за випромінюванням. Радіаційний пірометр

складається з оптичної системи (телескопа), первинного

перетворювача потоку випромінювання в електричний сигнал і

вторинного вимірювального приладу. Як первинний

перетворювач

найчастіше

використовують

зачорнені

термоелектричні перетворювачі або болометри, які чутливі до

всіх довжин хвиль потоку випромінювання, що ними

сприймається.

Рис. 7.1. Будова пірометрів повного випромінювання

Існують два різновиди оптичних систем радіаційних

пірометрів: рефракторна (з заломлювальною лінзою) і

рефлекторна (з відбивальним внутрішнім дзеркалом) системи. В

рефракторному пірометрі (рис. 7.1,а) випромінювання від

досліджуваного об'єкта 1 надходить на об'єктив (лінзу) 2 і через

діафрагму 3 фокусується на гарячому спаї термоперетворювача.

Термо-ЕРС, що виникає, вимірюється мілівольтметром, який

градуюється 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

візування телескопа на об'єкт вимірювання служить окуляр 6 і

діафрагма 7.

У рефлекторному телескопі (рис. 7.1,б) випромінювання від

досліджуваного об'єкта 1 через діафрагму 2 надходить на

рефлектор 3, відбивається і фокусується на гарячих спаях

термоперетворювача.

Коло

вимірювання

термо-ЕРС

складається, як і в рефракторних системах пірометрів, з

вимірювального приладу і пристрою 5 автоматичної корекції

похибок

від

зміни

температури

вільних

кінців

термоперетворювача.

Радіаційні пірометри градуюються, звичайно, за чорним

випромінювачем. Тому при вимірюванні температури реальних

нечорних тіл через їх меншу випромінювальну здатність

радіаційні пірометри показують не дійсну температуру T_x

досліджуваного об'єкта, а нижчу, так звану радіаційну

температуру T_p. І справді, за законами Стефана- Больцмана

енергетична світність (абсолютно чорного тіла) R^*визначиться

*

R

= ó T , (7.1)

P

звідки радіаційна температура T_pдорівнюватиме

T_p= 4_R*_/ó , (7.2)

ó = 5,6697 10−2

(

4 ) .

де

Дж м с/ ⋅ ⋅ K

Для реального тіла (досліджуваного об'єкта) енергетична

світність R і дійсне значення температури T_xвимірювача

зв'язані залежністю

R = å ó₀T_x, а

4 1/₀

T_x= T_på ó , (7.3)

де å₀ - коефіцієнт сумарного випромінювання, який дорівнює

відношенню енергетичної світності досліджуваного об'єкта до

енергетичної світності чорного тіла при цій же температурі.

Отже, радіаційна температура, виміряна пірометром повного

випромінювання, зв'язана

з

дійсною температурою

досліджуваного об'єкта залежністю

T_p= T_xå₀, а

4 1/₀

T_x= T_på . (7.4)

Поправка ∆T , яку необхідно додати до виміряної пірометром

повного випромінювання радіаційної температури T_pдля

отримання дійсної температури T_xдосліджуваного об’єкта,

визначається як

∆ = − −( å ) ( å )

T T_x− T_p= T_x1 4₀p⁴1/₀−1 , (7.5)

а відносна похибка

ä Tå 0^,яка викликана неврахуванням

коефіцієнта сумарного випромінювання досліджуваного об'єкта

T

ä å

( )

= ∆T T

x

⋅

100%

=

(

4 1/

å

)

− ⋅

1 100% , (7.6)

становить для å =₀0,9 наближено 3 %, для å =₀0,8 - близько 6

%, а для å =₀0,3 досягає 35 %.

Для реальних фізичних об'єктів

å₀визначається

властивостями об'єкта, станом його поверхні та іншими

чинниками і може перебувати в границях від 0,9...0,95 до 0,1 і

навіть нижче. Тому радіаційні вимірювання температури

супроводжуються здебільшого попередньою оцінкою å₀для

внесення надалі поправок, зокрема регулюванням чутливості.

Цього можна досягнути попереднім градуюванням радіаційного

пірометра, суть якого полягає в одночасному вимірюванні

температури цього об'єкта за допомогою радіаційного пірометра

та іншого засобу, що вимірює не радіаційну, а дійсну

температуру, наприклад, за допомогою термоелектричного

термометра або пірометра спектрального відношення.

Порівнюючи ці покази, визначають å₀і для всіх наступних

вимірювань температури цього об'єкта за допомогою

радіаційного пірометра може бути введена поправка на

коефіцієнт сумарного випромінювання.

Пірометри повного випромінювання агрегатного комплексу

пірометричних перетворювачів і пірометрів випромінювання

типу АПИР-С призначені для вимірювання температури в

діапазоні 30...З000⁰C з основною похибкою 1,5...2 %.

На практиці зробити приймач випромінювання, який би

поглинав випромінювання всіх довжин хвиль від 0 до ∞ , дуже

важко. Тому дуже часто задовольняються приймачами, які

сприймають випромінювання в обмеженому діапазоні довжин

хвиль від l₁до l₂. Пірометрами, принцип дії яких грунтується

на залежності енергетичної світності випромінювача від

температури в обмеженому інтервалі довжин хвиль, називають

пірометрами часткового випромінювання.

Яскравісніпірометри

Пірометри, принцип дії яких заснований на використанні

залежності від температури спектральної світності або

пропорційної до неї спектральної яскравості (тобто спектральної

світності, віднесеної до одиниці просторового кута), називають

квазімонохроматичними

або

яскравісними.

Найбільш

розповсюджені серед яскравісних пірометрів візуальні

пірометри із ниткою, що зникає (рис. 7.2,а), які називаються

також оптичнимипірометрами. При вимірюванні такими

пірометрами випромінювання від досліджуваного об'єкта 1

через об'єктив 2 фокусується на нитку розжарення

пірометричної лампи 4. Між об'єктивом та пірометричною

лампою при вимірюванні температури понад 1500⁰C

(допустима температура нитки розжарювання) ставиться

поглинальне скло 3. Зображення об'єкта дослідження і нитки

пірометричної лампи при вимірюванні температури

спостерігається пірометристом через окуляр 6. Між окуляром і

пірометричною лампою знаходиться червоний світлофільтр 5.

Рис. 7.2. До принципу дії оптичного пірометра

Змінюють розжарення нитки пірометричної лампи,

регулюючи струм розжарення за допомогою регулівного

реостата R_p. Значення цього струму вимірюється приладом,

проградуйованим в одиницях вимірюваної температури.

Описаний вище оптичний пірометр чутливий до енергетичної

світності (яскравості) дуже вузького діапазону довжин хвиль в

області так званої ефективної довжини хвиль

l =еф 0.65 мкм .

Насправді, спектральна чутливість ока людини характеризується

чутливістю

Pl⁼f ( ) , (рис. 7.2,б), а червоний світлофільтр -

( )

спектральним коефіцієнтом пропускання kl⁼ϕ l .

Отже, ефективна чутливість такої системи

Sl⁼F ( )

має

максимум при

l =еф 0.65 мкм і різко падає до нуля при

довжинах хвиль, які відрізняються від lеф навіть на 0,05 мкм .

Як і пірометри повного випромінювання, яскравісні

пірометри градуюються за чорним випромінювачем. Тому

виміряна нами так звана яскравісна температура TЯ реального

нечорного тіла з монохроматичним коефіцієнтом теплового

випромінювання

al^<1 буде відрізнятись від дійсної T_x.

Поправка

∆TЯ^,яку треба додати до виміряної оптичним

пірометром яскравісної температури для отримання дійсного

значення вимірюваної температури T_xдорівнює

A T²

∆T

Я⁼T_X− TЯ

=₁−

Я

A TЯ

, (7.7)

де Al ^-монохроматичний коефіцієнт, який характеризує ступінь

відхилення дійсної температури від яскравісної і відносну

похибку від нехтування коефіцієнтом al теплового

випромінювання

A T

T

ä l⁼1−

Я

A TЯ

100%

, (7.8)

значення якої для хвиль завдовжки l = 0,65 мкм залежно від al

при вимірюванні температури близько 1000 К становить для

al⁼0,9 близько 0,5 %, для al⁼0,8 близько 1 %, а для al⁼0,3

досягає 6 %. За інших однакових умов при

al⁼0,3 ця похибка може сягнути 20%.

T_X= 2000 K для

У візуальному монохроматичному пірометрі із ниткою, що

зникає, і регульованим нажарюванням під час вимірювання

температури змінюють нажарювання нитки пірометричної

лампи. Існують конструкції, в яких нажарювання лампи під час

вимірювання підтримується сталим, а змінюється уявна

світність об'єкта за допомогою поглинального клина, який

розміщений між лампою та об'єктом дослідження.

Поглинальний клин має плавнозмінний коефіцієнт пропускання,

що залежить від положення клина. Клин виконується переважно

у вигляді кільця, яке повертають 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 нажарюванням пірометричної лампи.

Монохроматичні візуальні пірометри із ниткою, що зникає,

типу "Промінь" призначені для вимірювань температур в

діапазоні від 800 до 5 000⁰C . Їх основна похибка в діапазоні

800... 1 400⁰C становить 14⁰C , в діапазоні 1 200.. .2 000⁰C -

20⁰C і в діапазоні 1 800... 5000⁰C - 150⁰C .

Пірометриспектральноговипромінювання

Візуальні пірометри, невід'ємним елементом вимірювального

кола яких є око людини, непридатні для роботи в системах

автоматичного вимірювання і регулювання температури. Тому

сьогодні поширені квазімонохроматичні фотоелектричні

пірометри (як і фотоелектричні пірометри часткового

випромінювання). У фотоелектричних монохроматичних

пірометрах фотоелемент в поєднанні з червоним світлофільтром

підібрані так, щоб ефективна довжина хвилі такої системи, як і в

оптичних пірометрах, дорівнювала

l =еф 0,65 мкм . Це

забезпечує порівняльність результатів фотоелектричних і

оптичних пірометрів.

Фотострум, що створюється фотоелементом, може

безпосередньо бути мірою вимірюваної температури. Такі

пірометри конструктивно нескладні, але відрізняються 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 у міру збільшення температури

тіла максимум його спектральної світності зміщується в бік

коротших хвиль, що в зоні видимого спектра означає зміну

кольорів променів максимальної інтенсивності. Це наштовхнуло

на думку визначати температуру за кольором променів

максимальної інтенсивності (світності). Виміряна за цим

методом температура називається колірною. Колірну

температуру T_Kвизначають щодо світностей променів двох

різних довжин хвиль в границях видимого спектра за

допомогою так званих пірометріввідношення.

Рис. 7.3. Схема пірометра спектрального випромінювання

Реалізація пірометрів спектрального відношення значно

складніша, ніж пірометрів часткового монохроматичного

випромінювання. Спрощена схема такого пірометра показана на

рис. 7.3. 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

піроелектричний перетворювач, 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 біхро-

матичного модулятора на приймач випромінювань почергово

потрапляють потоки випромінювання досліджуваного об'єкта в

двох різних ділянках спектра, для чого використовуються два

світлофільтри, які закріплені у диску біхроматичного

модулятора, що обертається, за допомогою двигуна ДС. Отже,

сигнал з приймача випромінювань - це послідовність імпульсів,

що чергуються, і пропорційних енергетичній світності

досліджуваного об'єкта в двох спектральних інтервалах. Ці

імпульси, підсилені попереднім підсилювачем ПП, надходять на

електронний блок проміжкового перетворювача сигналів ППС,

який реалізує функцію перетворення пірометра спектрального

відношення і виробляє вихідний сигнал Uвих^,зв'язаний з

вимірюваною колірною температурою лінійною залежністю.

Вихідним сигналом ППС є напруга постійного струму 0...1 В,

яка може вимірюватись вихідним приладом

ВПР^,

проградуйованим у одиницях вимірюваної температури. Є

також вихід 0...100 мВ для підімкнення автоматичного

потенціометра.

Пірометри

спектрального

відношення

"Веселка"

відрізняються високими чутливістю і точністю. Діапазон

вимірювань різних модифікацій цих пірометрів від 750 до 2900

0_C, основна похибка 0,6 %.

Змістовний модуль 3. Вимірювання геометричних

Читайте також:

1. Закон Ламберта Закон Ламберта встановлює залежність випромінюваності чорного тіла й тіл, що володіють дифузійним випромінюванням, від напрямку випромінювання.
2. Теплообмін випромінюванням між двома плоскими паралельними стінками при наявності екрана між ними.
3. Теплообмін випромінюванням між двома тілами, одне із яких перебуває у середині іншого.
4. Термометрія за випромінюванням тіла
5. Термометрія за допомогою термоелектричних перетворювачів
6. Термометрія за допомогою термоелектричних перетворювачів
7. Термометрія за допомогою терморезистивних перетворювачів

Переглядів: 1457