Бесконтактные методы определения температур

Бесконтактные методы определения температур. Оптические методы измерения температуры пламени.

Определение температуры оптическим методом [4,5] основано на изменении лучистости или спектральной интенсивности лучистости в зависимости от температуры.

В оптическом приборе одна из характеристик излучения сравнивается с соответствующей характеристикой излучения абсолютно черного тела. Прибор градуируется по абсолютно черному телу непосредственно в единицах температурной шкалы.

Иначе говоря, в основу оптических методов измерения температуры положено измерение характеристик излучения, однозначно с ней связанных. Сравнение характеристик излучения может осуществляться по принципу равенства общего излучения или спектральных интенсивностей, а также по идентичности спектрального состава. Соответственно различают три кажущиеся температуры, связанные функционально с истинной температурой тела и его излучательной способностью: радиационную, яркостную температуру Тярк, цветовую температуру Тцв. Механизм излучения пламен можно моделировать с помощью абсолютно черного тела.[4] Абсолютно черным телом называется тело, которое полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от направления падающего излучения, его спектрального состава и поляризации, ничего не отражая и не пропуская.

Основным свойством абсолютно черного тела является то, что для характера излучения и поглощения форма, материал и свойства поверхности тела совершенно безразличны.

Поглощательной способностью тела называется величина, показывающая, какая часть падающей на поверхность тела лучистой энергии с определенной длиной волны поглощается им при температуре Т. Поглощательная способность абсолютно черного тела для любых длин волн равна единице, для всех других тел поглощательная способность меньше единицы.[7] В общем виде закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела определяется функцией: Излучательной способностью тела называется лучистая энергия определенной длины волны излучаемая с 1 см2 поверхности в 1 сек. при температуре Т. Формула, предложенная Михельсоном, имела вид (11) Из этой формулы, в частности, следовало, что и Более поздние исследования, проведенные Вином на основе второго начала термодинамики и закона давления света, открытого выдающимся русским физиком П.Н.Лебедевым, позволили точнее определить зависимость энергии излучения от и Т: (12) (где с — скорость света) и вывести уравнение распределения энергии по спектру в функции длины волны : (13) где C1=3,7•10-12 вт•см2 , С2= 1,432 см•град. То же уравнение в функции частоты излучения имеет вид: (14) Из уравнения (14) следует, что при данной температуре Т излучение достигает максимума при определенной длине волны. Зависимость между температурой излучающего тела Т и длиной волны имеет вид: (15) Численное значение постоянной в формуле (14) равно 2892 град, откуда: (16) где выражается в микронах.

Отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности при данной температуре и длине волны является для всех тел постоянной величиной; эта постоянная равна излучательной способности абсолютно черного тела. Из формулы (16) следует, что при увеличении температуры абсолютно черного тела максимум кривой излучения смещается в сторону более коротких волн. Пользуясь формулой (16), можно определить длину волны, соответствующую максимальному излучению энергии в спектре при данной температуре абсолютно черного тела, или температуру абсолютно черного тела, если известна длина волны, соответствующая максимуму излучения. Рис.3. Кривые распределения энергии излучения а.ч.т при различных температурах На рис. 3 приведены кривые распределения энергии излучения абсолютно черного тела при различных температурах.

По оси ординат отложены значения излучательной способности, а по оси абсцисс — длины волн в микронах.

На основе выведенных ранее закономерностей о пропорциональности излучения абсолютно черного тела четвертой степени его абсолютной температуры и о смещении максимума излучения в сторону коротких волн с увеличением температуры Вин предложил формулу для определения величины максимальной энергии излучения: (17) где — постоянная, равная 4,16•10-12 вт/см3•град5. Из формулы (17) видно, что значение максимума излучения в спектре абсолютно черного тела возрастает пропорционально пятой степени температуры.

Для определения излучательной способности в длинноволновой части спектра удобна формула: (18) где СК= 0,412•1012 вт•см/град. Яркостная температура.

Под яркостной температурой понимают температуру абсолютно черного тела, при которой его спектральная интенсивность лучистости равна спектральной интенсивности лучистости исследуемого тела при той же длине волны.

По определению, (19) или (20) Поскольку в видимой области для тел, нагретых до температуры свечения, справедлив закон Вина, получим упрощенное равенство: (21) где - спектральное пропускание среды; - коэффициент видности, соответствующий монохроматическому фильтру, который вводится в прибор при визуальном фотометрировании яркостей.

Из уравнения (20) следует (22) откуда (23) и (24) В общем случае, когда спектральная интенсивность лучистости определяется формулой Планка: (25) Яркостная температура зависит от истинной температуры тела, спектральной излучательной способности и эффективной длины волны.

При яркостная температура тем больше отличается от истинной, чем меньше спектральная излучательная способность. Для абсолютно черного тела яркостная и истинная температуры совпадают. Полагая, получим (26) Значительные погрешности могут вносится отраженными составляющими излучения. Погрешность, связанная с отраженным излучением, тем больше чем меньше истинная температура. Цветовая температура. Под цветовой температурой понимают температуру абсолютно черного тела, при которой спектральный состав его излучения одинаков со спектральным составом исследуемого излучения, т. е. отношение спектральных интенсивностей лучистости при двух заданных длинах волн одинаково.

При постоянной температуре каждое тело обладает вполне определенным распределением лучистости по длинам волн, и по форме кривой спектрального распределения можно точно установить температуру тела. В случае визуальной фотометрии можно говорить об одинаковой цветности излучения при одинаковых температурах.

При изменении температуры одновременно с изменением спектрального состава изменяются и абсолютные значения спектральных интенсивностей, причем скорость их изменения различна для разных областей спектра. Так, интенсивность зеленых лучей возрастает быстрее красных, но медленнее синих. Разница между истинной и цветовой температурами является следствием селективности излучения. Для серых и абсолютно черных тел эти температуры равны и никаких поправок на неполноту излучения вводить не требуется; более того, нет необходимости знать абсолютную величину излучательной способности. При селективном излучении различия между истинной и цветовой температурами будут тем больше, чем сильнее изменение по спектру излучательной способности. В этом случае нет необходимости опреде¬лять абсолютную величину излучательной способности тела; достаточно лишь знать, как она изменяется при переходе от одной длины волны к другой, т. е. отношение.

Оно является значительно более стабильной величиной при изменении внешних условий.

Поэтому цветовая температура тела меньше зависит от состояния поверхности тела, чем его яркостная и энергетическая температуры. В равной мере и ослабление в промежуточной среде значительно слабее сказывается на цветовой температуре, если промежуточная среда для выбранных участков спектра не сильно селективна. Если В зависимости от свойств тела его цветовые температуры в различных областях спектра могут существенно отличаться друг от друга. Поэтому очень важно выбрать область спектра, для которой достаточные энергетические возможности сочетаются с минимальной селективностью излучательной способности.

Методика определения цветовой температуры может быть использована не только в видимой, но и в инфракрасной области спектра как для высоких, так и для сравнительно низких температур. По определению понятия цветовой температуры должно иметь место равенство: (27) ( полагаем равным единице). В области применимости закона Вина откуда (28) После логарифмирования и очевидных преобразований получим (29) При учете ослабления в среде (30) Для определения истинной температуры легко получить зависимость (31) ГЛАВА 2.