5.10. Пирометры излучения

Приборы для измерения температуры тел по тепловому излучению принято называть пирометрами излучения или просто пирометрами. Измерение температуры тел пирометрами (методами пирометрии) основано на использовании законов и свойств теплового излучения.

Отличительной особенностью методов пирометрии является то, что информация об измеряемой температуре передается неконтактным способом. Благодаря этому удается избежать искажений температурного поля объекта измерений, поскольку в этом случае не требуется непосредственного соприкосновения термоприемника с телом.

По характеру получения информации различают пирометры для локального измерения температуры данного участка поверхности и пирометры для анализа температурных полей (тепловизоры). В этом параграфе рассматриваются пирометры первого типа, а тепловизоры будут рассмотрены в следующем параграфе.

По принципу действия различают яркостные, цветовые и радиационные пирометры.

Основной величиной, воспринимаемой глазом наблюдателя или приемниками теплового излучения пирометров, является интенсивность (яркость) излучения тела. Спектральная интенсивность (яркость) излучения J_ представляет собой поток лучистой энергии, испускаемый в бесконечно малом интервале длин волн в данном направлении элементарной площадкой в пределах единичного телесного угла, отнесенный к проекции этой площадки на плоскость, ортогональную направлению излучения.

Действие яркостных пирометров основано на использовании зависимости спектральной интенсивности излучения I_ тела от его температуры. На рис. 5.12 представлена зависимость I_0 (для абсолютно черного тела) от T для трех значений длины волны в видимом участке спектра. При  = 0,65 мкм повышение температуры от 1000 до 2000 К сопровождается возрастанием спектральной интенсивности I_0 в 6,4210⁴ раза. Аналогичные зависимости наблюдаются и для реальных тел.

Рис. 5.12. Зависимость спектральной интенсивности излучения

от длины волны и температуры

Яркостные пирометры, используемые в видимой части спектра излучения, с регистрацией сигнала при помощи глаза наблюдателя, то есть субъективно, называются оптическими.

Яркостные оптические пирометры являются наиболее простыми в обслуживании и широко распространенными промышленными и лабораторными приборами. Они применяются для измерения температуры от 700 до 6000С.

Ввиду того, что энергия, излучаемая реальными телами, меньше энергии излучения абсолютного черного тела, при измерении действительной температуры тела T_д пирометры, основанные на яркостном методе, покажут более низкую яркостную температуру T_я (рис. 5.13). Под яркостной температурой T_я понимается такая условная температура, при которой абсолютно черное тело для данной длины волны имеет такую же спектральную интенсивность излучения , что и реальное тело при его действительной температуре T_д, то есть

(Т_д) = (Т_я). (5.22)

Рис. 5.13. Определение яркостной температуры

Таким образом яркостная температура находится в определенной связи с действительной температурой тела; эта связь находится из законов излучения. С учетом выражения для спектральной степени черноты из (5.22) находим

(5.23)

Используя закон излучения Вина*, получаем

. (5.24)

После сокращения и логарифмирования

(5.25)

Преобразуя последнее выражение, находим

(5.26)

_____________________

* где с₁ и с₂ – константы Планка;  - длина волны; индексом «0» отмечаются параметры, относящиеся к абсолютно черному телу.

Обозначим (/c₂) (1/_) = a. Тогда разность между действительной и яркостной температурами будет

. (5.27)

Таким образом, для определения действительной температуры тела Т_д необходимо измерить яркостную температуру Т_я и знать спектральную степень черноты тела _ при длине волны, на которой производилось измерение. Поскольку точное определение значения _ в ряде случаев затруднительно, наиболее достоверные значения действительной температуры могут быть получены, когда значение _ близко к единице.

Следует подчеркнуть, что соотношение (5.27) является приближенным в той мере, в какой приближенным является закон излучения Вина. При измерении температуры в области больших значений произведения  для получения связи между яркостной и действительной температурой следует использовать закон Планка*.

Для измерения яркостной температуры в видимой части спектра широко используются оптические пирометры с исчезающей нитью переменного и постоянного накала. Яркостная температура тела измеряется путем сравнения спектральной интенсивности излучения объекта измерения с интенсивностью излучения нити пирометрической лампы при одной и той же эффективной длине волны _э**. При этом яркостная температура нити лампы устанавливается градуировкой по абсолютно черному телу (по его модели) или по специальной температурной лампе.

Оптическая система пирометра позволяет создать изображение объекта измерения в плоскости нити пирометрической лампы. При использовании лампы переменного канала ее нить является переменным эталоном интенсивности излучения – последняя зависит от силы протекающего через нить тока. Таким образом, сила тока является мерой яркостной температуры. В момент достижения равенства спектральных интенсивностей излучения объекта измерения и нити лампы вершина нити исчезает на фоне свечения тела.

При использовании лампы постоянного накала ее нить имеет постоянную температуру. В этом случае выравнивание интенсивностей излучения осуществляется с помощью нейтрального (ослабляющего) клина переменной толщины, пропускательную способность которого можно непрерывно изменять за счет его поступательного движения. Яркостная температура тела определяется положением клина.

_______________________

*

** Излучение тела в узком конечном интервале длин волн рассматривается как эквивалентное излучение с длиной волны _э, находящейся внутри этого интервала.

Схема оптического пирометра с исчезающей нитью переменного канала показана на рис. 5.14. Фокусирование изображения объекта измерения 1 на плоскость нити лампы 4 осуществляется с помощью объектива 2. Окуляр 6, предназначенный для наблюдения нити лампы на фоне изображения объекта измерения, служит для получения резкого изображения нити. Изображение нити лампы через диафрагму 7 воспринимается глазом наблюдателя 8.

Рис. 5.14. Яркостный оптический пирометр с исчезающей нитью

переменного накала

Для выделения достаточно узкой спектральной области излучения служит стеклянный красный светофильтр 5, обеспечивающий выделение участка с эффективной длиной волны около 0,65 мкм. Для облегчения наводки и фокусировки объекта и окуляра, особенно при небольшой яркости объектива измерения, этот светофильтр может быть выведен из поля зрения – его можно установить на место непосредственно перед измерением.

Стабильность характеристик пирометрической лампы с вольфрамовой нитью обеспечивается, если температура нити не превышает 1700 К. Поэтому при измерении более высокой температуры перед лампой устанавливают ослабляющий (дымчатый) светофильтр 3.

Питание лампы осуществляется от батареи 11. Сила тока регулируется с помощью переменного сопротивления 10 и определяется с помощью миллиамперметра 9, шкала которого обычно градуируется в градусах яркостной температуры. В некоторых типах оптических пирометров в качестве регистрирующих приборов используют милливольтметры, а в пирометрах повышенной точности – потенциометры.

Показывающие приборы пирометров, рассчитанных на применение ослабляющих светофильтров 3 (на два диапазона измерений), снабжены двумя шкалами.

Погрешности измерения температуры яркостными оптическими пирометрами обусловлены главным образом неточностью знания степени черноты объекта измерения _; изменением коэффициента пропускания ослабляющего светофильтра при измерениях в помещениях, температура в которых заметно отличается от 293 К; отражением лучей объекта измерения от посторонних источников света; поглощением лучей в слое воздуха, содержащего пары воды и углекислоты; поглощением и рассеянием лучей в слое запыленного и задымленного воздуха; ослаблением излучения стеклами, расположенными между объектом измерения и пирометром; неточной наводкой пирометра при небольших размерах объектов измерений. Сведения о возможностях расчетной оценки этих погрешностей и рекомендации по их уменьшению содержатся в [9, 10, 20].

В яркостных фотоэлектрических пирометрах чувствительным элементом является фотоэлемент, что позволяет освободить этот тип приборов от известной субъективности измерений, присущих оптическим пирометрам, и, следовательно, повысить точность измерений, а также дает возможность проводить автоматическую запись температуры и использовать эти приборы в системах автоматического регулирования и при автоматизации экспериментов. Ток в цепи фотоэлемента пропорционален потоку излучения, падающего на него от объекта измерения, и может служить мерой его температуры.

Различают две разновидности фотоэлектрических пирометров. К первой из них относятся пирометры, использующие сравнительно узкий спектральный интервал с эффективной длиной волны _э = 0,65 мкм (как и у оптических пирометров). Во второй разновидности фотоэлектрических пирометров используются широкие спектральные интервалы с различными значениями эффективной длины волны, зависящими как от спектрального состава излучения объекта измерения, так и от спектральных свойств применяемого фотоэлемента. Отсутствие в настоящее время полных сведений о значениях степени черноты тел в различных интервалах длин волн создает серьезные трудности для пересчета яркостной температуры, измеренной прометрами этой разновидности, на действительную, поэтому такие пирометры используют главным образом для контроля температуры, когда знание действительной температуры необязательно.

На рис. 5.15 показана схема фотоэлектрического пирометра типа ФЭП, основанного на использовании узкого спектрального интервала с эффективной длиной волны _э = 0,65 мкм. Поток излучения от объекта измерения 1 через объектив 2 и диафрагму 3, одно из двух отверстий в диафрагме 7 и красный светофильтр 8 попадает на фотоэлемент 9. Наведение пирометра и фокусировка изображения объекта измерения в плоскости отверстия диафрагмы 7 контролируются визуально с помощью визирного устройства, состоящего из окуляра 5 и зеркала 4.

Рис. 5.15. Фотоэлектрические пирометр

Поток излучения объекта измерения на фотоэлементе сравнивается с потоком излучения лампы, которое попадает на фотоэлемент через второе отверстие в диафрагме 7 и светофильтр 8. Поочередное освещение фотоэлемента потоком излучения от объекта измерения и лампы осуществляется с помощью вибрирующей заслонки 6 модулятора 10. Накал лампы 11, питаемый током выходного каскада электронного усилителя силового блока 13, автоматически регулируется таким образом, чтобы переменные составляющие сигнала фотоэлемента от сравниваемых потоков излучения объекта измерения и лампы были равны между собой. В уравновешенном состоянии падение напряжения на калиброванном сопротивлении R является рабочим сигналом; оно однозначно связано с яркостной температурой объекта измерения и фиксируется автоматическим электронным потенциометром 12. Потенциометр может быть оттарирован в градусах яркостной температуры. Время, необходимое для установления показаний пирометра (для выхода на режим компенсации), составляет около 1 с.

При измерениях температуры, превышающей 1400С, применяются ослабляющие светофильтры. В этом случае фотоэлектрическими пирометрами можно измерять температуру до 4000С.

Нижний температурный предел фотоэлектрических пирометров определяется чувствительностью применяемых фотоприемников. Для фотоэлектронных умножителей и неохлаждаемых фотосопротивлений он составляет 100-200С. Такие приборы, как правило, работают при эффективной длине волны, отличающейся от _э = 0,65 мкм.

Одной из разновидностей яркостных пирометров являются фотографические пирометры. В них фиксация изображения объекта и эталона осуществляется на фотопленке, а их фотометрическое сравнение выполняется визуальным методом или с помощью денсиметров (приборов, измеряющих плотность почернения фотопленки).

Погрешности измерения температуры фотоэлектрическими пирометрами имеют те же причины, что и при измерении оптическими пирометрами.

Принцип действия цветовых пирометров*, называемых также пирометрами спектрального отношения, основан на использовании зависимости отношения интенсивностей излучения, измеренных в двух достаточно узких спектральных интервалах ( и ), от температуры излучающего тела (рис. 5.16). Эти приборы применяются для автоматического измерения температур в диапазоне 700 – 2800С.

________________________

* В соответствии с законом Планка изменение температуры тела сопровождается перераспределением энергии по длинам волн. В видимой части спектра изменение длины волны при фиксированной температуре тела сопровождается изменением его цвета. Отсюда название – цветовые пирометры.

Р ис. 5.16. Зависимость от температуры:

1 – ₁ = 0,65 мкм, ₂ = 0,45 мкм; 2 – ₁ = 0,65 мкм, ₂ = 0,55 мкм

Цветовые пирометры измеряют условную цветовую температуру. Цветовая температура реального тела T_ц представляет собой такую температуру абсолютно черного тела, при которой отношение интенсивностей его излучения для двух длин волн равно отношению реального тела, имеющего действительную температуру T_д для тех же длин волн, то есть

(5.28)

Используя закон Вина, из (5.28) получаем

(5.29)

После сокращения и логарифмирования находим

(5.30)

Таким образом, для определения действительной температуры тела T_д необходимо измерить его цветовую температуру T_ц и знать спектральную степень черноты тела и в узких спектральных интервалах длин волн ₁ и ₂.

Из (5.30) следует, что если спектральная степень черноты в данном участке спектра не зависит от длины волны ( = ), то цветовая температура тела равна его действительной температуре. В этом случае цветовые пирометры не требуют введения поправок, обычных для оптических и радиационных пирометров.

Для тел, у которых _ изменяется с длиной волны, цветовая температура может быть как больше, так и меньше действительной. Следует отметить, что в видимой части спектра зависимость _ от длины волны  для большого числа тел слабая, поэтому для этих тел разность между цветовой и действительной температурой невелика.

При измерении температуры в области больших значений T для установления связи между цветовой и действительной температурами вместо зависимости (5.30) следует пользоваться зависимостью, полученной на основе закона Планка.

Как видно из сопоставления рис. 5.12 и 5.16, цветовые пирометры имеют более низкую чувствительность, чем яркостные, в особенности при высокой температуре, но при их использовании поправки на температуру, связанные с отличием свойств реальных тел от свойств абсолютно черного тела, получаются меньшими, чем при использовании других методов.

Цветовые пирометры могут быть выполнены по одно- и двухканальной схеме. При двухканальной схеме для измерения спектральных интенсивностей излучения и используют два приемника излучения (чаще всего ими являются фотоэлементы). При одноканальной схеме отношение интенсивностей излучения / измеряется одним фотоэлементом, который поочередно освещается излучением с длиной волны ₁ и ₂.Существенным недостатком двухканальных схем является зависимость характеристик пирометра от стабильности свойства фотоэлементов каждого канала, которые с течением времени могут меняться неодинаково. Поэтому в большинстве случаев цветовые пирометры выполняются по одноканальной схеме.

На рис. 5.17 приведена принципиальная схема одноканального цветового пирометра типа ЦЭП-3. Излучение от объекта измерения 1 через объектив 2, диафрагму 3 и обтюратор 4, вращаемый электродвигателем 9, поступает на фотоэлемент 5. Обтюратор представляет собой диск с двумя отверстиями, в одном из которых установлен красный светофильтр КФ, а в другом – синий СФ. При вращении обтюратора на фотоэлемент попеременно попадает излучение спектральных интенсивностей, соответствующих красному и синему интервалам длин волн. Сигналы фотоэлемента (импульсы фототока), пропорциональные спектральным интенсивностям излучения и , через усилитель 6 подаются на автоматический потенциометр 7. Синхронный коммутатор 8 позволяет усилителю 6 «различать цвет» входного сигнала.

Рис. 5.17. Цветовой одноканальный пирометр

С течением времени характеристики фотоэлемента (в частности его спектральная чувствительность) могут изменяться, поэтому через определенное время градуировку прибора необходимо корректировать.

Яркостный, цветовой и рассмотренный ниже радиационный методы основаны на измерении условной температуры. Пересчет их на действительную температуру требует знания спектральной или интегральной степени черноты тела. Если степень черноты неизвестна или изменяется в процессе измерения, то определение действительной температуры этими методами невозможно. Под руководством Д.Я.Света были разработаны теоретические основы метода измерения действительной температуры и созданы приборы, реализующие этот метод.

Основу метода составляет принцип выделения информации о степени черноты тела из потока его теплового излучения в виде инвариантных к температуре (независящей от нее) относительных спектральных распределений R (_i, _j). Для абсолютно черного тела в приближении закона Вина инвариантное соотношение может быть записано в виде

(5.31)

где _i, и _j – значения эффективных длин волн.

Как видим, от температуры это выражение не зависит.

Для реальных тел соотношение (5.31) имеет вид

(5.32)

Соотношения (5.31) и (5.32) позволяют по выходным сигналам прибора, измеренным при визировании объекта через фильтры с эффективными длинами волн _i, и _j, определить отношение степеней черноты _i/_j объекта измерений. Эта информация затем может быть использована для коррекции условной температуры (яркостной или цветовой) до действительной [21]. Коррекция может осуществляться как дискретно, так и непрерывно, в том числе и с использованием ЭВМ.

Наиболее простыми и часто применяемыми приборами этого типа являются бихроматические пирометры. В качестве примера бихроматического пирометра истинной (действительной) температуры с непрерывной автоматической коррекцией можно привести ПИТ-5. С описанием схемы и принципа действия его можно ознакомиться в [21].

Радиационные пирометры, называемые также пирометрами полного излучения, – это пирометры для измерения температуры тел по интегральной интенсивности (яркости) излучения тела. Они используются для измерения температуры от 20 до 3500С. Эти приборы имеют меньшую чувствительность, чем яркостные и цветовые, но измерения радиационными методами часто удается осуществить технически проще.

Радиационные пирометры измеряют не действительную температуру тела T_д, а условную, так называемую радиационную температуру T_р. Она представляет собой такую температуру абсолютно черного тела T_р, при которой его интегральная интенсивность излучения во всем диапазоне длин волн от 0 до  (I₀), равна интегральной интенсивности излучения реального тела I при действительной температуре T_д. Согласно этому определению

I₀(T_р) = I(T_д). (5.33)

С учетом закона Стефана – Больцмана * легко найти

(5.34)

Из (5.34) следует, что

(5.35)

или

(5.36)

Здесь  – интегральная степень черноты тела.

Поскольку для реальных тел  < 1, то радиационная температура всегда меньше действительной.

Значения интегральной степени черноты , имеющиеся в справочной литературе, установлены с меньшей точностью, чем значения спектральной степени черноты _. Поэтому радиационные пирометры обладают меньшей точностью по сравнению с яркостными и цветовыми. Неопределенность значений  для некоторых тел часто заставляет ограничиваться измерением только радиационной температуры без пересчета ее на действительную.

Радиационные пирометры состоят из телескопа, приемника интегрального излучения, вторичного прибора и вспомогательных устройств. Оптическая система телескопа концентрирует энергию излучения тела на приемник интегрального излучения, степень нагрева которого (температура), а следовательно, и выходной сигнал пропорциональны падающей энергии излучения и определяют радиационную температуру тела.

В качестве приемника излучения (чувствительного элемента) чаще всего используют термобатареи из нескольких последовательно соединенных термопар.

________________________

• – для абсолютно черного тела;

– для серых тел. Здесь E – поверхностная плотность потока интегрального излучения;  – интегральная степень черноты; С₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела; E₀ = I₀; E = I.

Наряду с термобатареями в качестве приемников интегрального излучения могут быть использованы и другие теплочувствительные элементы, например болометры, в которых излучение от объекта измерения нагревает чувствительный к температуре резистор. Изменение сопротивления резистора служит мерой радиационной температуры.

Оптические системы телескопов радиационных пирометров могут быть двух видов: рефракторная (с собирающей линзой) и рефлекторная (с вогнутым зеркалом). Схемы телескопов с рефракторной и рефлекторной оптическими системами приведены на рис. 5.18. Наибольшее распространение получили телескопы с рефракторной системой. Линзы рефракторных систем ограничивают пропускание излучения длинноволнового участка спектра, что вызывает значительное отклонение излучения от закона Стефана – Больцмана и делает соотношения (5.35) и (5.36) нестрогими. Градуировка радиационных пирометров с рефракторной оптической системой становится чисто эмпирической, не связанной с законами излучения.

Рис. 5.18. Телескопы радиационных пирометров:

а – с рефракторной оптической системой; б – с рефлекторной оптической системой; 1 – объектив; 2 – диафрагма; 3 – приемник излучения; 4 – окуляр;

5 – красный или дымчатый светофильтр; 6 – диафрагма; 7 - зеркало

При измерениях невысокой температуры и, следовательно, при небольших плотностях потока излучения применяю телескопы рефлекторных систем. Ввиду отсутствия в них стекол, ограничивающих пропускание теплового излучения, эти телескопы обеспечивают соответствие излучения, попадающего на приемник интегрального излучения, закону Стефана – Больцмана. Недостатком рефлекторых телескопов является изменение отражательной способности зеркала в результате загрязнения и потускнения.

В качестве вторичных приборов, регистрирующих сигнал приемника излучения, используют показывающие самопишущие и регулирующие приборы. Шкала вторичных приборов обычно градуируется в градусах радиационной температуры.

Для исключения погрешностей, обусловленных нагревом корпуса пирометра (телескопа) из-за теплообмена его с окружающей средой и в результате поглощения излучения от объекта измерения, телескопы радиационных пирометров могут быть снабжены различными системами температурной компенсации.

Температура рабочих спаев термобатареи, а следовательно, и ее выходной сигнал устанавливаются в результате теплового равновесия между потоком падающей на термобатарею энергии излучения объекта измерения и отводом теплоты в корпус телескопа и окружающую среду. Поскольку это равновесие устанавливается не мгновенно, радиационные пирометры обладают определенной инерционностью. Малоинерционные пирометры имеют время установления теплового равновесия менее 0,5 с, пирометры большой инерционности – более 2 с.