69189

Измерение температуры тел по их тепловому излучению

Лекция

Физика

Спектр электромагнитного излучения большинства твердых и жидких тел является непрерывным и содержит волны всех длин от λ=0 до λ=∞. Суммарная энергия полного излучения и энергия излучения волн определенной длины тела зависит от температуры тела.

Русский

2014-10-01

39 KB

15 чел.

Измерение температуры тел по их тепловому излучению.

Введение.

Все тела в природе независимо от их температуры излучают электромагнитные волны. Спектр электромагнитного излучения большинства твердых и жидких тел является непрерывным и содержит волны всех длин от λ=0 до λ=∞.

Суммарная энергия полного излучения и энергия излучения волн определенной длины тела зависит от температуры тела. При температуре тел до 5000С в общей энергии излучения преобладает энергия электромагнитных волн невидимого инфракрасного (теплового) диапазона (λ>0,76 мкм). С повышением температуры в спектре излучения тел преобладают более короткие волны и тела светятся. Одновременно с повышением температуры возрастает и ……… энергия излучения. Следовательно, измеряя энергию излучения тела, можно определить температуру тела.

Способность поглощения и излучения энергии у различных тел, находящихся при одной и той же температуре, неодинакова. Для сравнения способности излучения тел введено понятие "абсолютно черное тело". Оно поглощает всю падающую на него лучистую энергию, т.е. его способность поглощения равна единице. Способность излучения абсолютно черного тела также принята равной единице. Способность поглощения реальных тел меньше единицы, а следовательно и их способность излучения относительно абсолютно черного тела меньше единицы.

Законы температурного излучения совершенно точно определены лишь для абсолютно черного тела.

Температурное излучение характеризуется переносимой им энергией. Количество лучистой энергии в лучах длинной волны от λ до (λ+dλ),излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени, называют монохроматической интенсивностью излучения. Количество лучистой энергии, излучаемой при данной температуре единицей поверхности тела в единицу времени для всех длин волн от λ=0 до λ=∞называется интегральной интенсивностью излучения.

Методы измерения температуры тел по их тепловому излучению называют методами пирометрии излучения.

Существует несколько методов измерения температуры тел по их излучению. Наиболее широко распространены следующие:

  •  яркостный -  измерение энергии монохроматического излучения, т.е. излучения определенной длины волны (обычно λ=0,65 мкм).
  •  радиационный - измерение энергии всего спектра излучения.

Средства измерения температуры тел по их тепловому излучению называют пирометрами излучения или просто пирометрами. Они применяются для измерения температуры тел от 20 до 100000С.

1.Оптические пирометры.

Пирометры основанные на яркостном методе измерения, называются оптическими яркостными пирометрами или пирометрами частичного излучения.

Оптические пирометры или пирометры визуальные с "исчезающей" нитью переменного накала применяются для измерения яркостной температуры в видимой области спектра.

Интервал измеряемых температур для таких пирометров от 100 до 100000С в видимой области спектра. Погрешность измерения при этом 0,5%.

Пирометры градуируют на температуру, соответствующую излучению абсолютно черного тела. Для определения температуры реальных тел необходимо вводить поправки.

Оптическим пирометром измеряется так называемая яркостная температура Тя. Действительная абсолютная температура может быть рассчитана по уравнению:

                            

где λ - длина волны в мкм;

      с - 14320 -постоянный коэффициент, мкм.К;

      Еλ - коэффициент черноты монохроматического излучения.

Для физических тел Еλ<1 и Е<1. Значит Еλ и Е различных физических тел различны и зависят от многих трудноучитываемых факторов:

  •  от состава вещества;
  •  от состояния поверхности тела;
  •  температуры тела и т.д.

Поэтому градуировка пирометров излучения производится по излучению абсолютно черного тела.

Рассмотрим схему показанную на рис. объясняющую устройство и принцип действия, оптического пирометра.

В этом пирометре яркость исследуемого тела 1 сравнивается с яркостью нити фотометрической лампы, накаливаемой от аккумулятора, регулируется резистором R и контролируется вольтметром V.фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив 2 и окуляр 5. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело 1, и при этом передвижением объектива и окуляра добиваются получения четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости.

Изменяя ток в фотолампе 4 , добиваются совпадения яркости нити и исследуемого тела. Отсчет показаний в момент совпадения яркости производится по шкале вольтметра, который градуируется в градусах температуры абсолютно черного тела, а иногда для повышения точности применяются потенциометры постоянного тока.

Для того,  чтобы интенсивность излучения сравнивалась в спектре монохроматических лучей, в пирометре предусмотрен красный светофитьтр 6, пропускающий лучи длиной 0,62 мкм и выше. Человеческий глаз чувствителен к лучам длинной волны до 0.73 мкм. Таким образом видно, что сравнение интенсивностей излучения происходит в узком спектре 0,62-0,73 мкм.

Нить фотометрической лампы допустимо накаливать до определенной температуры (14000С), а поэтому для расширения предела измеряемых температур в пирометре имеется ослабляющий светофильтр 3, уменьшающий яркость исследуемого теля в определенное число раз.

Недостатки: основная погрешность оптического пирометра обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел.

Достоинства:

  1.  они не искажают температурного поля объекта измерения, т.к. измерение                    осуществляют бесконтактным способом;
  2.  не имеют ограничения для увеличения предела измерения в сторону высоких температур.

Эти достоинства можно отнести к пирометрам любого типа.

2.Радиационные пирометры.

Пирометры. Основанные на радиационном методе измерения, называются радиационными пирометрами полного излучения.

При измерении температуры радиационным пирометром измеряется так называемая радиационная температура Тр.

При этом действительная абсолютная температура тела определяется по формуле:

где Е - коэффициент черноты полного (интегрального излучения).

Интервал измеряемых температур промышленных радиационных пирометров в пределах от 20 до 40000С, при этом погрешность измерения равна 1%.

Рассмотрим принцип действия пирометров излучения на примере наиболее распространенных радиационных пирометров.

Действие радиационных пирометров основано на измерении полной энергии излучения нагретого тела. Рассмотрим принципиальную схему радиационного пирометра, приведенную на рис. .

Основными элементами комплекта радиационного пирометра являются телескоп 2 и вторичный измерительный прибор 6. Лучи от нагретого тела 1 с помощью объектива телескопа 5 собираются на термоприемнике 3. Фокусируются на термоприемнике, т.е. вся энергия излучения падает на рабочие концы термопар, тепловой поток нагревает его. Степень нагрева термоприемника, т.е. термо-ЭДС зависит от мощности теплового излучения и, следовательно, от температуры тела. Температура термоприемника измеряется термоэлектрическим методом с помощью термобатарей 4. Термобатарея 4 из последовательно включенных термопар (например ТХК), помещенных в стеклянной колбе. Рабочие концы термопар являются термоприемником 3. Вторичный прибор 6, измеряющий термо-ЭДС, градуирован непосредственно в градусах температуры, и это, как правило, либо электронный потенциометр, либо милливольтметр.

В промышленности выпускаются радиационные пирометры с различной оптической системой:

  •  для температуры от 100-5000С оптическая система выполнена из фтористого лития;
  •  для температуры от 400 до 20000С - из кварцевого стекла;
  •  для температуры от 900 до 30000С - из оптического стекла марки К-8.

Пилескопы в соответствии с ГОСТ выполняются с широкоугольной и узкоугольной оптикой.

Время установления показаний телескопа пирометра отсчитывается от момента облучения телескопа, находящегося при температуре 20±20С, до момента, когда развиваемая им термо-ЭДС, достигает значения, равного 99% полной термо- ЭДС развиваемой телескопом при данной температуре излучателя. По этому показателю они подразделяются на три группы:

  1.  до 1,8 с включительно;
  2.  от 1,8 до 4 с включительно;
  3.  от 4 до 5 с.

3.Комплекс "АПИР-С".

Промышленность выпускает агрегатные комплексы АПИР-С различных модификаций, т.е. преобразователи пирометрические частичного излучения (типов ПЧД-121,ПЧД-131) и полного излучения (типов ППТ-121, ППТ-131, ППТ-141 и т.д.)

Рассмотрим пирометрический преобразователи полного излучения. Которые входят в агрегатный комплекс АПИР-С и предназначенные для бесконтактного измерения радиационных температур поверхностей нагретых тел в диапазоне 30-25000С.

Пирометрический преобразователь состоит из:

  •  первичного пирометрического преобразователя полного излучения ППТ;
  •  вторичного измерительного преобразователя ПВ-О.

В ППТ производится непосредственное преобразование энергии теплового излучения в электрический сигнал низкого уровня, который в ПВ-О преобразовывается и усиливается в сигнал ГСП, и одновременно в зависимости от типа ПВ-О осуществляется линеаризация сигнала, запоминание его max значения и индикация. Кроме того в ПВ-О имеется возможность коррекции выходного сигнала в зависимости от излучательной способности измеряемого объекта от 0,1 до 1,0.

Соединение ППТ с ПВ-О осуществляется электрическими линиями связи.

Технические данные "АПИР-С".

  1.  имеют рад модификаций, отличающихся конструктивным исполнением и габаритными размерами;
  2.  основная приведенная погрешность 2,0; 2,5%;
  3.  питание от сети переменного тока: напряжение 220В, частота 50Гц;
  4.  потребляемая мощность не более 30 Вт.

Промышленностью выпускаются:

  1.  телескоп радиационного пирометра типа ТЭРА-50;
  2.  пирометр визуальный оптический "Проминь";
  3.  визуальный оптический микропирометр типа ВИМП-015М;
  4.  агрегатный комплекс АПИР-С частичного излучения типов ПЧД-121, ПЧД-131;
  5.  агрегатный комплекс АПИР-С полного излучения типов ППТ-121, ППТ-131, ППТ-142;
  6.  пирометры частичного излучения "Смотрич-1","Смотрич-2","Смотрич-3";
  7.  пирометры переносные частичного излучения "Смотрич-4П","Смотрич-5П";
  8.  пирометр спектрального отношения "Спектромер 10" и переносные "Спектромер П1".

Все эти приборы применяются в металлургической, химической, машиностроительной и других отраслях промышленности.

 

                               


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

20859. Макроэкономическое равновесие на товарном рынке. Кейнсианский подход 153 KB
  Методологические основы кейнсианского подхода. Компоненты совокупного спроса в кейнсианской модели. Кейнсианская функция потребления и сбережения. Теория инвестиционных решений. Равновесный уровень дохода. Модель «утечка-инъекции».
20860. Проблемы преподавания планиметрии и стереометрии через элективные курсы в школе 278.53 KB
  Перехода к профильному обучению математике в общеобразовательной школе, предусматривающей также элективные курсы по геометрии, и не разработанностью теоретических основ их проектирования; осуществления преемственности базового, профильного и элективного курсов по геометрии и отсутствием требований к отбору содержания последних...
20861. Хіміко-термічна обробка металів та сплавів 108 KB
  Мета хіміко-термічної обробки - надати поверхневому шару стальних деталей підвищеної твердості, зносостійкості, жаростійкості, корозійної стійкості та ін. Для цього нагріті деталі поміщають у середовище, з якого в процесі дифузії у поверхневий шар переходять деякі елементи (вуглець, азот, алюміній, хром, кремній, бор та ін.)
20862. Толковый словарь психиатрических терминов 1.75 MB
  В словаре представлены толкования основных терминов и понятий, наиболее часто употребляемых в современной психиатрической литературе, а также в смежных науках и областях знаний (психотерапии, неврологии, психологии, философии, физиологии и др.). Приведено лаконичное, но достаточно полное смысловое значение каждого термина
20863. Дифференциальная диагностика и лечение некоронарогенных заболеваний миокарда 279.5 KB
  Миокардит представляет собой поражение сердечной мышцы преимущественно воспалительного характера, обусловленное опосредованным через иммунные механизмы воздействием инфекции, паразитарной или протозойной инвазии, химических и физических факторов, а также возникающее при аллергических и иммунных заболеваниях.
20864. Договор дарения и специфика его применения в практической юриспруденции в условиях Российской Федерации 228.5 KB
  Совершенно ясно, что, как в теоретических, так и в практических позиций, договор уже очень давно перестал быть чем-то вторичным, вспомогательным среди воплощений права. Об этом, бесспорно, свидетельствует то обстоятельство, что договорами буквально пронизаны все сферы жизни современного общества.
20865. Учет и аудит выпуска готовой продукции (работ, услуг) 505 KB
  Целью дипломной работы является изучение операций по выпуску и оприходованию готовой продукции (работ, услуг), правилами их оценки и методикой отражения в бухгалтерском учете всех этих операций, рассмотрение порядка отражения этих операций на синтетических и аналитических счетах в бухгалтерском учете.
20866. Расчет и проект привода к пластинчатому транспартеру 2.46 MB
  В курсовом проекте проведены расчеты входных данных для проектирования привода: передаточных чисел, частот вращения, мощностей, вращающих моментов для всех валов редуктора. Проведены проектировочные и проверочные расчеты передач, валов, подшипников, муфт, шпоночных соединений, группового болтового соединения. Подобраны стандартные детали и смазка. Описана конструкция редуктора.