 |
Лекция 3. Бесконтактная пирометрия
|
|
|
|
Основные понятия и законы излучения
О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем большую энергию оно излучает.
Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами излучения (ПИ) или просто пирометрами. Они позволяют контролировать температуры в широком интервале: от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.
Тела характеризуются либо непрерывным спектром излучения (твердые и жидкие вещества), либо - селективным (газы). Участок спектра в интервале длин волн 0,02-0,4 мкм соответствует ультрафиолетовому, участок 0,4-0,76 мкм - видимому, участок 0,76-400 мкм - инфракрасному излучению. Интегральное излучение – это суммарное излучение, испускаемое телом во всем спектре длин волн. Монохроматическим называют излучение, испускаемое при определенной длине волны.
Физические объекты имеют различные оптические свойства: они по-разному поглощают, отражают и пропускают тепловые лучи. Законы излучения выведены для абсолютно черного тела (АЧТ), которое характеризуется тем, что оно поглощает все падающее на него излучение. Зависимость плотности потока спектрального излучения АЧТ от длины волны и температуры описывается уравнением Планка:
,
где 
- плотность потока спектрального излучения, Вт/м3; λ - длина волны, м; Т - температура, К; С1 и С2 - постоянные Планка (С1=3,7413∙10-6 Вт∙м3; С2=1,438 ∙10-2 м∙К).
|
|
|
АЧТ испускает лучи всех длин волн от 0 до ∞ при всех температурах, отличных от абсолютного нуля. Плотность потока монохроматического излучения возрастает с повышением температуры, при этом максимум на кривой распределения энергии АЧТ смещается в сторону коротких волн.
Рисунок 3.1 - Зависимость плотности спектрального излучения АЧТ от длины волны и температуры
Для определения плотности потока интегрального излучения АЧТ необходимо просуммировать значение 
по всему спектру от 
1=0 до =∞. Результатом является выражение, получившее название закона Стефана-Больцмана:
,
где Е0 - плотность потока интегрального излучения АЧТ, Вт/м2; 
-коэффициент излучения АЧТ [ = 5,7 ∙ 10-8 Вт/(м2 ∙ К4)].
Реальные тела при одинаковых температурах обладают меньшей плотностью потока излучения, которая характеризуется степенью черноты 
(спектральной 
или полной 
). Коэффициенты и 
зависят от температуры, химического состава и состояния поверхности и находятся в пределах 0 < , < 1. Если < 1 и не зависит от длины волны (так же как и у АЧТ), то такое излучение называют серым.
На основании рассмотренных законов излучения разработаны пирометры следующих типов: 1) пирометр суммарного (полного) излучения (ПСИ) - измеряется полная энергия излучения; 2) пирометр частичного излучения (ПЧИ) - измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участке спектра; 3) пирометры спектрального отношения (ПСО) - измеряется отношение энергий фиксированных участков спектра.
Пирометры излучения градуируются по АЧТ, поэтому при их применении в реальных условиях получаются значения температур, в большинстве случаев отличающиеся от действительных и получившие название условных (Тусл). Для перехода от условной температуры к действительной в показания пирометров вводятся соответствующие поправки.
|
|
|
В зависимости от типа пирометра различаются: радиационная, яркостная и цветовая температуры.
Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд. На основании данного определения, используя закон Стефана-Больцмана, получим:
,
откуда 
.
Разность между действительной и радиационной температурами составит
,
или 
.
Для реальных тел интегральная степень черноты 
< 1, поэтому радиационная температура всегда меньше действительной температуры объекта измерения.
Яркостей температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре ТД. Соотношение между данными температурами записывается в следующем виде:
.
Так как < 1, то и яркостная температура всегда ниже действительной, причем они различаются сильнее при меньшем значении 
. Погрешность данного ПИ равна
или 
.
Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношение плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн 
и 
равно отношению плотностей потоков излучения реального тела, для тех же длин волн при действительной температуре ТД. Связь между данными температурами записывается в виде следующего выражения:
где 
- спектральные степени черноты объекта при соответствующей длине волны.
|
|
|
