2.7.3. Пірометри

Розглянуті раніше перетворювачі для вимірювання температури передбачають безпосередній контакт між чутливими елементами і вимірюваним об’єктом або середовищем. Верхня межа використання таких методів обмежується термічною стійкістю використовуваних чутливих елементів і лежить в межах до 2500⁰ С. Але іноді необхідно виміряти більш високі температури чи неможливий безпосередній контакт давача з середовищем. В цих випадках використовують безконтактні засоби вимірювання – пірометри, які вимірюють температуру за тепловим випромінюванням. Пірометри, що випускаються серійно, забезпечують вимірювання температур в діапазоні від 20 до 6000⁰ С.

В основі безконтактних методів вимірювання температур лежить температурна залежність випромінювання абсолютно чорного тіла (АЧТ), тобто тіла, яке здатне повністю поглинати випромінювання, що падає на нього, будь-якої довжини хвилі. Але реальні тіла повною мірою не поглинають падаюче випромінювання і характеризуються коефіцієнтом поглинання _, що визначає спроможність поглинати випромінювання досліджуваним тілом в порівнянні з АЧТ.

За формулою Планка світність абсолютно чорного тіла R_^* однозначно визначається його абсолютною температурою 

де С₁=2hc²; C₂=hc/K; h – постійна Планка; К – постійна Больцмана;  – довжина хвилі.

Світність будь-якого тіла R_, через світність R_^* абсолютно чорного тіла, можна виразити у вигляді

R_=_ R_^*,

де _ – коефіцієнт поглинання досліджуваного тіла.

На рис. 2.7.6. наведені криві спектральної світності абсолютно чорного тіла. При даній температурі  максимальне значення спектральної світності АЧТ складає R_^*_max=1,30110^–5 ⁵ і припадає на довжину хвилі _max=2886/ мкм, а його інтегральна світність, згідно з законом Стефана–Больцмана, R^* =5,6710^–8 ⁴. Ці фундаментальні закони дозволяють використовувати оптичні безконтактні методи для вимірювання температури реальних тіл.

Пірометри діляться на радіаційні, яркісні і кольорові. Радіаційні пірометри використовують для вимірювання температур від 20 до 2500⁰ С. Температура, що вимірюється радіаційним пірометром _р, завжди менша істинної температури тіла . Залежність між ними визначається виразом _р= , де – коефіцієнт неповноти (чорноти) випромінювання, що має різні значення для різних матеріалів. В зв’язку з цим радіаційні пірометри потребують градуювання конкретно для тих тіл, температуру яких вони вимірюють.

Схема радіаційного пірометра представлена на рис. 2.7.7. Він являє собою телескоп, в середині якого розташовані об’єктив 1, термобатарея з послідовно ввімкнених термопар 2, світлофільтр 3, окуляр 4. Робочі кінці термопар розташовані на платиновій пелюстці, покритій платиновою черню. При вимірюванні телескоп наводиться на об’єкт 5 так, щоб пелюстка повною мірою перекривалась зображенням об’єкта і вся енергія сприймалась термобатареєю. Для захисту ока при наведенні телескопа використовується світлофільтр. Термо-е.р.с. термобатареї є функцією потужності випромінювання і тому вимірювальний пристрій можна відградуювати в мградусах Цельсія.

Яркісні пірометри засновані на порівнянні в вузькій ділянці спектра яркості досліджуваного об’єкта з яркістю зразкового випромінювача. За спектральною щільністю випромінювань можна визначити потрібну нам температуру. Яркісні пірометри також мають похибку від неповноти випромінювання – вимірювана ними температура відрізняється від істинної. Але ця похибка залишається приблизно постійною в широких межах зміни коефіцієнта  і може бути врахована градуюванням пристрою в робочих умовах.

В яркісному пірометрі (рис. 2.7.8.) порівнюється яркість досліджуваного тіла і фотометричної лампи з плоскою вольфрамовою ниткою. Окрім фотометричної лампи 4 в телескопі розташовані об’єктив 1, нейтральний свілофільтр 2 для змінення вдвічі границь вимірювання, оптичний клин 3 для отримання лінійної залежності між кутом повороту клина і яркістю (яркість нитки пропорційна п’ятому степеню струму розжарювання), окуляр 6 і світлофільтр 5, що забезпечує порівняння інтенсивності випромінювання в вузькому діапазоні спектра. Яркості порівнюють, спостерігаючи нитку зразкового випромінювача на фоні досліджуваного тіла. Якщо яркість тіла більше яркості нитки, то нитку видно у вигляді чорної лінії на яркому фоні, в протилежному випадку помітно світіння нитки на більш блідому фоні. При рівності яркостей нитку не видно, тому такі пірометри називаються пірометрами зі зникаючою ниткою. Суттєвою перевагою яркісних пірометрів є незалежність їх показань від відстані до випромінюючої поверхні і її розмірів.

Кольорові пірометри основані на вимірюванні відношення інтенсивностей випромінювання на двох довжинах хвиль, що вибираються зазвичай в червоній і синій областях спектра. Якщо коефіцієнти неповноти випромінювання для обох обраних довжин хвиль однакові, то температура , яка вимірюється кольоровими пірометрами, дорівнює істинній температурі тіла. Це одна з вирішальних переваг кольорових пірометрів. Крім того, показання кольорових пірометрів принципово не залежать від відстані до об’єкта вимірювання і від поглинання радіації в середовищі, що заповнює цю відстань, якщо коефіцієнти поглинання однакові для обох довжин хвиль.