Пирометрические методы измерения температуры

Пирометрические методы измерений температуры ох­ватывают широкий диапазон температур - от 173 до 6000 К, включающий в себя низкие, средние и высокие температуры. Эти методы основаны на определении параметров теплового излуче­ния объекта без нарушения его температурного поля. Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, воз­буждаемое тепловым движением атомов и молекул в твердых, жидких и газообразных веществах. При температурах выше 4000 К излучение вызывается процессами диссоциации и иони­зации.

Теория пирометрических методов измерений температуры ос­нована на законах, устанавливающих связь между излучением абсолютно черного тела (АЧТ) и его температурой. Абсолютно черным телом называется тело, поглощающее все падающее на него излучение и соответственно способное при данной темпера­туре излучать максимальную энергию. Хорошим приближением к АЧТ является закрытая со всех сторон полость с малым отвер­стием, площадь которого пренебрежимо мала по сравнению с об­щей поверхностью полости.

Закон Планка устанавливает связь между абсолютной темпе­ратурой и спектральным распределением потока излучения (све­тимости) АЧТ:

(1.13)

где - спектральная плотность потока излучения АЧТ, т. е. энергия, излучаемая в единицу времени единицей площади по­верхности излучателя, приходящаяся на единицу диапазона длин волн;

С₁- первая постоянная излучения, равная ;

С₂- вторая постоянная излучения, равная м·К;

с - скорость света;

h - постоянная Планка;

k - постоянная Больц­мана.

При малых значениях можно вместо выражения (1.13) пользоваться законом Вина

(1.14)

Зависимость изображена на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 – График зависимости

Полная энергия, излучаемая с единицы поверхности АЧТ в единицу времени, определяется законом Стефана-Больцмана

, (1.15)

где σ=5,67032·10^-8 Bт/(м²·K⁴) - постоянная Стефана-Больц­мана.

Как видно из рисунка 1.9, с увеличением температуры максимумы кривых сдвигаются в ультрафиолетовую об­ласть спектра, т. е. в сторону более коротких волн. Сдвиг макси­мума излучения подчиняется закону смещения Вина, установлен­ному в виде двух зависимостей:

(1.16)

где А =28978·10^-7 м·К;

b ₁= 12816·10^-9 Вт/(м³·К⁵).

Разработка чувствительных приемников инфракрасного (ИК) излучения позволяет применять пирометрические методы для измерения не только высоких, но и низких температур. Приборы для измерения температур объектов по их тепловому электро­магнитному излучению называются пирометрами.

В зависимости от естественной входной величины пирометры разделяются на пирометры полного излучения (радиационные пирометры), воспринимающие полную (интегральную) энергию излучения, пирометры частичного излучения (яркостные пирометры),основанные на зависимости от температуры энергетиче­ской яркости излучения в ограниченном диапазоне длин волн, и пирометры спектрального отношения (цветовые пирометры), в которых используется зависимость от температуры отношения спектральных плотностей энергетических яркостей на двух или нескольких длинах волн.

Пирометры прямого преобразования обычно состоят из опти­ческой системы, приемника излучения, измерительной цепи с вторичным прибором, а в ряде случаев с микропроцессорным вычис­лительным устройством. В пирометрах уравновешивающего пре­образования, кроме того, имеется образцовый источник излуче­ния. В зависимости от вида оптической системы, с помощью ко­торой излучение передается на приемник излучения, пирометры разделяются на рефракторные с собирающей линзой, рефлек­торные с собирающим зеркалом, световодные и комбинирован­ные.