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

3565. Послідовність рішення задачі по розробці програми 78 KB
  Послідовність рішення задачі по розробці програми Послідовність рішення задачі по розробці програм складається з наступних етапів: Формулювання задачі в термінах деякої прикладної області знань, Формалізація задачі, побудова математичної та інформац...
3566. Основні визначення. Приклади алгоритмів 122 KB
  Основні визначення. Приклади алгоритмів Аналіз (від др. греч. «розкладання, розчленовування») — операція уявного або реального розчленовування цілого (речі, властивості, процесу або відношення між предметами) на складові частини, виконуван...
3567. Апаратні та програмні складові електронно-обчислювальної машини. 46 KB
  Апаратні та програмні складові електронно-обчислювальної машини. Персональний комп’ютер можна представити з допомогою двох невід’ємних складових частин: апаратна частина, програмне забезпечення. Апаратні складові частини можна розділити ...
3568. Основи мови С# 302 KB
  Основи мови С# Створення мови C# Не зважаючи на те, що курс Алгоритмізації та програмування , як одним із своїх компонентів, передбачає реалізацію розроблених алгоритмів на існуючих мовах програмування. Я хотів би зупинитися на деяких особливостях м...
3569. Типи даних C# 88.5 KB
  Типи даних C# Цей розділ присвячений універсальній системі типів .NET Common Type System (CTS), яка знаходиться в центрі Microsoft .NET Framework. CTS визначає не тільки всі типи, але і правила, яким Common Language Runtime (CLR) слідує відносно ого...
3570. Синтаксис мови програмування C# 164.5 KB
  Синтаксис мови програмування C# У цьому розділі ми розглянемо основу будь-якої мови програмування — його здатність виконувати привласнення і порівняння за допомогою операторів. Ми побачимо, які оператори є в С# і яке їх старшинство, а потім заг...
3571. Введення в C#. Створення консольних додатків 1.45 MB
  Введення в C#. Створення консольних додатків Мова C# (вимовляється Си-Шарп) - це мова програмування від компанії Microsoft. Він входить у версію Visual Studio - Visual Studio.NET. Крім C# в Visual Studio.NET входять Visual Basic.NET й Visual C++. Од...
3572. Алгоритми роботи з цілими числами 54 KB
  Тип ціле число є основним для будь-якої алгоритмічної мови. Зв'язано це з тим, що вміст комірки пам'яті або регістра процесора можна розглядати як ціле число. Адреси елементів пам'яті також являють собою цілі числа, з їхньою допомогою записуються машинні команди й т.д...
3573. Алгоритми роботи з дійсними числами 89.5 KB
  Дійсні числа представляються в комп'ютері в так названої експонентної, або плаваючої, форми. Дійсне число r має вигляд