60.Бесконтактные методы и средства измерений температуры.

Пирометры

Пирометры (от греческого «пирос» – огонь) – это средства бесконтактных дистанционных измерений температуры. Первоначально они использовались только при измерениях высоких температур (выше 600°С), при которых свечение нагретых тел становится видимым для человеческого глаза.

Принцип действия пирометров основан на зависимости яркости I или плотности потока q теплового излучения нагретых тел от их температуры Т.

В первом случае используют зависимость , основанную на законе Планка. Эта зависимость, как следует из закона, не является однозначной, так как яркость тел зависит ещё и от длины волны. Максимальная яркость при температуресоответствует длинетеплового излучения, которая определяется законом «смещения» Вина:

(мкм),

где – значение температуры излучателя, К.

Например, при = 280 К ( ≈7 °С) максимум яркости тела соответствует≈ 10 мкм. Поэтому современные пирометры, позволяющие измерять температуру от -70 °С используют фотоприёмники, имеющие спектральный диапазон чувствительности от 8 до 14 мкм, соответствующий инфракрасному диапазону длин волн теплового излучения.

Такие низкотемпературные бесконтактные измерители температуры уже не соответствуют первоначальному термину «пирометры» (измерители температуры огня). Поэтому сейчас средства измерений температуры, реализующие бесконтактный метод, принято называть радиационными термометрами.

Пирометры, основанные на измерениях яркости, называют яркостными. Для получения однозначной зависимости от температуры в них используют светофильтры, обычно, красного цвета, которые соответствуют наибольшей яркости в видимом диапазоне длин волн. Видимый диапазон наиболее востребован в металлургических процессах для бесконтактных измерений температуры от 800 °С и выше. С учётом этого такие пирометры называют яркостными монохроматическими.

Яркостные пирометры обычно используют для измерений температуры в диапазоне от 400 до 6000 °С. Их минимальная погрешность составляет 0,5°С.

Другой распространенной разновидностью бесконтактных средств термометрии являются пирометры полного или частичного излучения. Часто такие пирометры называют радиационными. В отличие от яркостных пирометров, использующих, как правило, одну длину волны в спектре теплового излучения нагретых тел, пирометры полного или частичного излучения используют энергию практически всего спектра или наиболее интенсивной его части.

Объект измерения 1 излучает тепловой поток плотностью q, который в соответствие с законом Стефана-Больцмана пропорционален четвертой степени абсолютной температуры объекта. Объектив 2 концентрирует излучение объекта на чувствительном элементе 3, которым может служить спай термопары 5. Чем выше температура объекта, тем выше плотность потока теплового излучения с его поверхности и тем сильнее нагревается спай термопары. Её сигнал измеряют милливольтметром, который может быть отградуирован в значениях температуры. Окуляр 4 служит для наведения пирометра на объект.

Спектральный диапазон таких пирометров определяется спектральными характеристиками объектива и чувствительного элемента. Радиационные пирометры используют в диапазоне температур от -70 до 2500 °С. Их погрешность обычно превышает 1 °С.

Тепловизор - это средство измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для определения значения температуры и преобразования её в визуальную картину распределения тепловых полей по поверхности объекта. Тепловизор позволяет получить обобщенную информацию - тепловую картину некоторой области и конкретное значение температуры интересуемого объекта, размер которого равен или больше размера элементарной ячейки поля зрения тепловизора.