Оптическая пирометрия: Методические указания к лабораторной работе

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

Кафедра «Физика – 1»

ОПТИЧЕСКАЯ ПИРОМЕТРИЯ

Методические указания к лабораторной работе №404 по дисциплине «Физические основы измерений»

Москва – 2004
Министерство путей  сообщения

Российской Федерации

Московский государственный университет

путей сообщения

Кафедра «Физика – 1»

Утверждено

редакционно-  

издательским советом

университета

ОПТИЧЕСКАЯ ПИРОМЕТРИЯ

Методические указания к лабораторной работе №404 по дисциплине «Физические основы измерений»

Москва – 2004

УДК: 536.521

060

Е.А.Подпалый, М.И.Дубинина, Е.В.Васильев, В.Ю.Шахова. Оптическая пирометрия:

Методические указания. – М.: МИИТ. 2004. -  11с.

Методические указания к лабораторной работе №404 соответствуют программе и учебным планам по дисциплине «Физические основы измерений» предназначены для студентов специальности «Стандартизация и сертификация на транспорте»

© Московский государственный

университет путей сообщения

(МИИТ),2004

Лабораторная работа №404

ОПТИЧЕСКАЯ ПИРОМЕТРИЯ

Цель работы: Изучение работы оптического пирометра, предназначенного для неконтактного измерения температуры объекта.

Приборы и принадлежности: оптический пирометр, контактный термометр, ртутный термометр, термостат.

ВВЕДЕНИЕ

Законы теплового излучения используются для измерения температуры раскалённых и самосветящихся тел. Методы измерения температур, использующие зависимость спектральной плотности энергетической светимости тел от температуры, называется оптической пирометрией. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называются пирометрами.

Пирометрические методы позволяют измерять температуру в диапазоне от 173 К до 6000 К. Данные методы основаны на измерении параметров излучения объекта. Привязка параметров излучения осуществляется по тепловому излучению абсолютно черного тела, спектральная плотность энергетической светимости которого может быть записана в виде:

,

где C₁ = 3.742·10^-16 Вт·м² и C₂=0,01439 м·К

3

Энергетическая светимость абсолютно черного тела (АЧТ) описывается законом Стефана – Больцмана:

где s = 5,670·10^-8 Вт/(м² ·К⁴) – постоянная Стефана–Больцмана. Максимум излучения АЧТ соответствует закону смещения Вина:

,

где b₁ = 2,898·10^-3м·К  и  b₂ = 1,282·10^-5Вт/(м²·К⁵).

         В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измерении температур тел, различают радиационные, яркостные и цветовые температуры.

Пирометры подразделяются на:

1. радиационные, измеряющие энергетическую светимость объекта;

2. яркостные, измеряющие мощность теплового излучения объекта в ограниченном диапазоне длин волн;

3. цветовые, измеряющие отношение спектральных плотностей энергетической светимости на двух или нескольких длинах волн.

В радиационных пирометрах измеряется энергетическая светимость R_T реального тела:

R_T = esT⁴ , sT⁴_P= esT⁴_ист ,

где 0,04 áeá 1­­­ – коэффициент теплового излучения, зависящий от материала тела и состояния его излучающей поверхности, а также от его температуры. Например, для стальных изделий e изменяется  в пределах от 0,1 до 0,9 в зависимости от появления на поверхности окалины.

4

Калибровка радиационных пирометров осуществляется по излучению АЧТ, в результате чего измеряемая ими температура Т_р, называемая радиационной температурой, отличается от  

истинной температуры Т_ист тела

и

σТ⁴_р =εσТ⁴_ист;

или

.

Т.к. e<1  , то Т_р <Т_ист , т.е. истинная температура тела всегда выше радиационной.

Очевидно, наиболее целесообразно использовать радиационные пирометры для измерения температуры таких тел, излучательные свойства которых мало отличаются от свойств АЧТ. К числу таких тел можно отнести большинство закрытых печей и топок, кожу человека, стекло, резину и т.д.

 Диапазон измеряемых температур лежит в пределах от – 50^оС до 3500^оС. Диапазон измерений яркостных пирометров составляет от – 100^оС до 6000^оС. Погрешность их составляет 0,25 – 2,5%. Такие пирометры измеряют тепловое излучение в ограниченном диапазоне длин волн. Для АЧТ это является известной функцией температуры:

 Также как и радиационные, яркостные пирометры калибруются по АЧТ, т.е. f(T) равно излучению тела в диапазоне (λ₁; λ₂). В качестве образцового излучателя обычно пользуются лампы с плоской вольфрамовой нитью. Разновидностью яркостного пирометра

5

является пирометр, измеряющий излучения в узком спектральном

диапазоне. В частности, при использовании красного светофильтра диапазон регистрируемых длин волн составляет (0,656+0,008)мкм. Тогда яркостная температура будет связана с истинной температурой соотношением:

,

где ε_λ – поглощательная способность тела. Величина ε_λ колеблется в широких пределах 0< ε_λ<1. Согласно калибровке

откуда и следует верхняя формула.

Наконец цветовые пирометры определяют так называемую цветовую температуру тела по отношению спектральных плотностей энергетической светимости на двух длинах волн:                          .

Отсюда

Для серых тел цветовая температура совпадает с истинной

6

температурой. Для тел, свойства которых сильно отличаются от серых тел (например, для тел, обладающих селективным поглощением), понятие цветовой температуры теряет смысл.

Для многих тел ε не остаётся постоянным с изменением длины волны. В частности, для металлов ε уменьшается с увеличением длины волны. Это является источником погрешности при определении истинной температуры тела, т.к. не всегда заранее может быть определено ε_λ1/ ε_λ2. В целом погрешность цветовых параметров меньше т.к. их показания не зависят от расстояния до измеряемого тела и состояния оптического тракта.

В большинстве серийно выпускаемых пирометров в качестве приёмников излучения применяются термобатареи (в радиационных пирометрах), фотодиоды, фоторезисторы или пироэлектрические приемники.

Пирометрические методы могут быть использованы для регистрации температурного поля поверхности различных объектов. Такие приборы называются тепловизорами. Они применяются в медицинской диагностике, в строительстве для проверки теплоизоляции зданий и т.д.

Наибольшей точностью обладают цветовые пирометры т.к. на их показания не влияют пропускания оптического тракта, а также слабо влияет изменение коэффициента отражения измеряемого объекта.