2.1. Бесконтактные методы измерения средних и высоких температур.
Если какое-либо тело нагрето значительно выше температуры окружающей среды, то его теплообмен со средой происходит не только путем теплопроводности и конвекции, но и путем лучеиспускания. Для абсолютно черного тела полная энергия излучения с единицы поверхности , где , т.е. пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры .
Воспринимая это излучение, можно измерять температуру без непосредственного контакта с нагретым телом. Термометры, построенные на этом принципе, называют пирометрами. В зависимости от используемой входной величины различают три вида этих приборов: радиационные, яркостные и цветовые.
В радиационных пирометрах измеряется интегральное тепловое излучение. В яркостном пирометре используется яркость светового излучения нагретых тел. Он может применен лишь при высоких температурах и отличается тем, что из широкого спектра излучения воспринимается лишь узкая полоса частот. Например, человеческий глаз воспринимает узкую полосу видимого света, соответствующую электромагнитным колебаниям с длиной волны от 0,6 до 0,7 мкм. Использование сурмянозециевого фотоэлемента с красным светофильтром позволяет воспринимать полосы частот с от 0,6 до 0,7 мкм, так как более высокие частоты не пропускаются светофильтром, а более низкие не воспринимаются фотоэлементом. Цветовой пирометр основан на определении спектрального состава излучения, т. е. его цвета.
Радиационные пирометры.На рис.2 Показан преобразователь пирометра ИАТ, представляющий собой трубку 1, в заднем торце которой установлено сферическое зеркало 3. Измеряемый радиационный поток, отраженный зеркалом 3, фокусируется на
Рис.2. Показан преобразователь пирометра ИАТ
терморезистор 2 и нагревает его. Чтобы нагрев происходил прямыми лучами и исключался нагрев лучами, отраженными от стенок трубы, внутренняя ее поверхность покрыта зачерненными ребрами 5, а терморезистор прикрыт со стороны, противоположной фокусирующему зеркалу, тепловым экраном 4. Для сохранения в чистоте внутренней полости преобразователя и особенно отражающей полости поверхности фокусирующего зеркала входной конец трубы герметично закрыт тонкой полиэтиленовой пленкой 6, хорошо прозрачной для цветового и инфракрасного излучения. Пирометр предназначен для измерения температур от 20 до 1000 С. При измерении более высоких температур (от 100 и до 25000 С), когда излучение становится более высокочастотным, для фокусировки радиационного потока применяются стеклянные или кварцевые собирательные линзы, а в качестве чувствительного элемента, воспринимающего тепловой поток, батареи термопар. Подобные пирометры не могут измерять относительно низкие температуры (ниже 1000 С), так как стеклянная или даже кварцевая оптика непрозрачна для низкотемпературного инфракрасного излучения.
Недостатком всех радиационных пирометров является то, что их показания определяются не только температурой исследуемого тела, но и отражающей способностью его поверхности.
Яркостные пирометры.Эти пирометры являются приборами сравнения в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя в виде температурной лампы накаливания. В качестве образцового источника яркости применяют лампы с плоской вольфрамовой нитью или лентой. После старения в течении 100 ч при температуре 20000 С излучение лампы становится стабильным, если ее при эксплуатации не перегревать выше 1400÷15000 С. Яркость можно регулировать или изменением тока лампы или введением нейтрального светофильтра переменной плотности «оптического клина». В первом случае шкала прибора получается резко нелинейной, так как яркость нити лампы накаливания пропорциональна примерно пятой степени тока накала. При изменении яркости с помощью оптического кругового клина угол поворота последнего будет линейно зависеть от регулируемой яркости.
Цветовые пирометры. Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения при двух длинах волн, выбираемых обычно в красной и синей областях спектра. Температура, измеряемая цветовыми пирометрами, называется цветовой температурой тела, и если коэффициенты неполноты излучения для обеих выбранных волн совпадают между собой, то цветовая температура равна истинной температуре тела. Это одно из решающих преимуществ цветовых пирометров. Кроме того, показание цветовых пирометров принципиально не зависит от расстояния до объекта измерения от поглощения радиации в среде, заполняющей это расстояние, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих волн. Недостатком цветовых пирометров является их относительная сложность.