Оценка температуры яркостным пирометром

Устройства, с помощью которых дистанционно измеряется температура поверхности тел по собственному оптическому (тепловому) излучению, называются пирометрами. Различают методы измерения температуры: радиационной; цветовой; яркостной; регистрируемой фотонными детекторами.

Следует отметить, что возможность применения метода измерения цветовой и яркостной температур, реализуется при относительно высоких температурах нагрева: более 800-1000 ^оС.

Диапазон измерения температуры фотонными детекторами (тепловизионными приемниками) лежит в пределах от –25 ^оС до 1000 ^оС.

Энергетическая светимость нагретого тела определяет не только энергию, теряемую за счет излучения, но и насколько ярким это тело кажется человеческому глазу (при температурах выше 600…800 ^оС).

В качестве яркостного пирометра обычно используется пирометр с ″исчезающей″ нагретой нитью типа ОППИР-017. Шкалу пирометра градуируют по излучению эталонного черного тела, так что по шкале прибора отсчитываются значения яркостной температуры Т _я(K). При контроле температуры яркостным пирометром визуально (глазом) оценивается спектральная яркость излучателя L _l на определенной длине волны. Это достигается тем, что ″красный″ стеклянный фильтр ″вырезает″ из спектра излучения длины волн в диапазоне эффективной длины волны l_кр = 0,65 мкм.

Допустим, что мы разогрели серое тело до температуры Т (например, 2000 K). Нагревая нить электрическим током и рассматривая ее на фоне нагретого тела, мы обнаружим, что при температуре нити 2000 K она будет выглядеть более яркой, потому что серое тело излучает меньше энергии, чем АЧТ. Для ″исчезновения″ изображения нити на фоне серого тела, нам придется уменьшить накал нити, так что на шкале будет зафиксирована яркостная температура, значение которой Т _я < Т.

Согласно определению яркостная температура Т _я - температура, до которой следует нагреть АЧТ, при которой его монохроматическая яркость равна яркости серого тела с температурой Т.

Энергетические и яркостные характеристики связаны между собой. Анализ показывает, что спектральная яркость L _l серого тела связана со спектральной плотностью энергетической светимости M_{е l} соотношением:

L _l = K _me_{l, T} M_{е l}/p, (9.39)

где K _m - 683 Лм/Вт; e_{l, T} - спектральная поглощательная способность (табулированное значение для ″среднего″ глаза).

Поскольку спектральные плотности энергетической светимости АЧТ и серого тела связаны

M_{е l} = e_{l, T} M_{е l}⁰ = e_{l, T} r _ч(l, T), (9.40)

то спектральная яркость L _l серого тела определяется выражением

L _l = e_{l, T} K _m M_{е l}⁰/p. (9.41)

Например, для вольфрамовой нити значение e_{l, T} = 0,43 при температуре
T = 2000 К при l = 650 нм.

Имеем (при е^{C 2/l T} >> 1):

для серого тела: L _l ≈ (e_{l, T} K _m/p)(C ₁/l⁵)/ е^{C 2/l T}; (9.42)

для АЧТ: L _l⁰ ≈ (K _m/p)(C ₁/l⁵)/ е^{C 2/l T я}. (9.43)

Выражения (9.42), (9.43) определяют принцип использования яркостного пирометра путем визуальной оценки яркости объекта и нагретой нити прибора. Согласно определению: L _l = L _l⁰; тогда

L _l = (e_l,T K _m/p)(C ₁/l⁵)/ е^{C 2/ l T} =. L _l⁰ = (K _m/p)(C ₁/l⁵)/ е^{C 2/l T я}; (9.44)

e_{l, T} / е^{C 2/l Tя} = е^{C 2/ l T}; (9.45)

e_{l, T} = е ^{( C 2/l) (1/ T - 1/ T я )}; (9.46)

или

T = T _я/[1 + (l T _я/ C ₂)lne_{l, T} ]; (9.47)

T _я= T /[1 – (l T / C ₂)lne_{l, T} ]; (9.48)

D T = T – T _я = –l T _я² lne_{l, T} / C ₂. (9.49)

При l = 650 нм; С ₂ = 0,014 м· K; e_l,T = 0,43 (вольфрам) имеем:
D T = 3,92·10^–5 Т _я², т.е. при Т _я > 1000 K значение D T превышает 40 ^оС и это обстоятельство следует учитывать при проведении оптической пирометрии и оценке погрешности измерения температуры данным методом.

Дата добавления: 2015-07-17