Теплотехнические измерения и инновационные измерительные технологии, страница 19

Для измерения более высоких температур и в случаях, когда контакт с телом недопустим, применяют бесконтактные средства измерения, которые измеряют температуру тела по тепловому излучению. Такие приборы называют пирометрами. Серийные пирометры измеряют температуру в диапазоне от 20 до 6000 °C. На энергетических объектах они применяются для измерения температур в топках котлов или печей в пределах 700 ¸ 1500 °C. Нагретое тело до температуры около 500 °C еще не светится, но испускаемое им инфракрасное (тепловое) излучение уже достаточно для измерения температуры пирометром. При дальнейшем нагреве, кроме теплового начинается излучение видимых лучей. В различных приборах используются оба вида излучения.

Спектральное распределение энергетической яркости тела (энергетическая светимость) абсолютно черного тела зависит от абсолютной температуры T, и описывается уравнением Планка:

                                              ,     (5.32)

где     C₁ и C₂ – постоянные коэффициенты (C₁ = 3,7413×10^–16 Вт×м², C₂ = 1,4388×10^–2 м×K);

          l – длина волны, м.

Для ограниченного интервала температур и при малых длинах волн зависимость энергетической яркости абсолютно черного тела и температуры может быть выражена уравнением Вина:

                                                    ,           (5.33)

где      – константа ( Вт×м²/ср).

Для интегральной энергетической яркости B_0т при изменении длины волны l от 0 до ¥ как следствие закона Планка получен закон Стефана-Больцмана:

                                                 ,                  (5.34)

где     s – постоянная Стефана-Больцмана (s = 5,6697×10^–8 Вт/(м²×K⁴)).

Уравнения (5.33), (5.34) для практического использования в пирометрии более удобны, и они положены в основу бесконтактных методов измерения температуры тел.

Т. к. излучательная способность зависит от индивидуальных особенностей реальных тел, то возникает необходимость градуировать пирометры по излучению абсолютно черного тела. Черное излучение, как известно, имеет сплошной спектр; для реальных тел излучение отличается от черного (например, может быть полосчатым). Поэтому температура реального тела, измеренная по его излучению, называется условной. Условные температуры отличаются от действительных температур реальных тел. Эти отличия устанавливаются теоретически на основе законов излучения и могут учитываться в виде поправок.

Различают пирометры квазимонохроматические, пирометры спектрального отношения, пирометры полного излучения.

Пирометры, действие которых основано на использовании зависимости температуры от спектральной энергетической яркости , называются квазимонохроматическими пирометрами. На этом принципе работают оптические и фотоэлектрические пирометры. При измерении они показывают так называемую яркостную температуру T_я.

Яркостная температура T_я есть такая температура абсолютно черного тела, при которой спектральные энергетические яркости абсолютно черного тела при температуре T_я и реального тела при температуре T равны. Тогда

                                                     ,             (5.35)

где     e_lT – коэффициент теплового излучения реального тела при l = const (для большинства квазимонохроматических пирометров l = 0,65 мкм; значения e_lT некоторых тел приведены в табл. 5.10).

Таблица 5.10

Монохроматический коэффициент черноты некоторых тел при l = 0,65 мкм