Лабораторная работа №7 измерение температуры бесконтактными методами

Цель работы: Ознакомление с физическими принципами, лежащими в основе бесконтактных методов измерения температур, изучение устройства и принципа действия пирометров и приобретение практических навыков работы с пирометрами различных типов.

Программа работы

1. Изучить устройство и принцип действия оптического, радиационного и цветового пирометров.

2. Ознакомиться с электрической схемой лабораторного стенда.

3. Измерить температуру тела накала лампы накаливания при разных напряжениях на лампе тремя пирометрами.

4. Определить истинную температуру тела накала используя значения коэффициента теплового излучения.

5. Построить зависимость температуры от напряжения на лампе и найти эмпирическую формулу зависимости.

Теоретическая часть

В тех случаях, когда невозможно осуществить непосредственное соприкосновение датчика измерительного прибора с объектом измерения из-за того, что температура объекта через чур велика, из-за его недоступности и т.д. Работа пирометров основана на связи, существующей между температурой тела и количеством излучаемой им энергии. При этом для измерения температуры тела можно использовать всю излучаемую им энергию - в этом случае мы имеем дело с пирометрами полного излучения. Можно использовать лишь часть спектра полного излучения - это пирометры частичного излучения. Наконец, можно выделить два монохроматических участка излучения в разных частях спектра и судить о температуре объекта сравнивая их интенсивности - сравнении основана конструкция пирометров отношения.

Пирометры полного излучения. В пирометрах этого вида полное излучение тела, температура которого подлежит измерению, направляется с помощью оптической системы на рабочий конец термопары и нагревает его. Количество тепла, получаемого рабочим концом термопары то нагретого тела, в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорционально четвертой степени температуры тела и для реальных тел равно:

где ε - коэффициент теплового излучения тела;

δ - коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела.

Тепло, излучаемое нагретым телом, рассеивается внутри корпуса прибора, где заложена батарея из нескольких последовательно включенных термопар, рабочие концы которых расположены рядом. Чем выше температура нагретого тела, тем больше нагреваются термопары и рассеивается тепло. Поэтому каждой температуре нагретого тела соответствует в установившемся состоянии вполне определенная температура рабочих концов и термо-ЭДС.

Так как разные тела имеют различные коэффициенты теплового излучения и следовательно, будут посылать при одной и той же температуре разное количество энергии на рабочие концы термопар, то пирометра всегда градуируют по абсолютно черному телу. При измерении температуры реальных тел пирометр всегда будет показывать меньшую, по сравнению с действительной температурой, радиационную температуру интегрального излучения Т_р. Для реального тела с относительным коэффициентом теплового излучения ε будем иметь: , откуда получаем действительную температуру измеряемого тела: ,

где Т_р – показание пирометра полного излучения.

Радиационные пирометры (РАПИР) выпускают в различных модификациях для измерения температур по полному тепловому излучению в диапазоне температур 400 - 2500°С.

Значения спектральной излучательной способности ε для различных материалов приведены в таблице. Телескопы радиационных пирометров изготовляются в четырех модификациях. Их характеристики приведены в таблицах. Все телескопы узко угольные с показателем визирования 1/20, поэтому размер излучателя должен быть не менее 1/20 расстояния между объектом и линзой телескопа и не менее 35 мм).

При нагреве корпуса телескопа до 100°С и выше погрешность измерения может достигнуть больших значений. Во избежании перегрева телескоп снабжается защитной арматурой ЗАРТ-53. При температуре до 100°С компенсация погрешности от перегрева корпуса телескопа, автоматически производится специальным шунтом, вмонтированным в телескоп.

В модификациях телескопа Р1 и Р2, предназначенных для измерения температур в диапазоне 400 - 1400°С, линзы изготавливаются из кварцевого стекла. Для диапазона 100 - 500°С используются стекла из фтористого лития.

Тепловая инерция пирометров полного излучения определяется в основном инерцией термобатареи; она невелика, и уже через две секунды после начала облучения термо-ЭДС достигает 98% значения, соответствующего измеряемой температуре.

Пирометры частичного излучения являются более точными по сравнению с пирометрами полного излучения. Они работают на принципе сравнения яркости свечения измеряемого тела с яркостью свечения нити, температура которой однозначно связана с проходившим по ней током. Сравнение осуществляется наблюдателем, причем человеческий глаз оказывается способным весьма точно улавливать (в среднем ±5°С) момент равенства яркости свечения - в этом случае температуры нити и измеряемого тела равны и определяются по шкале встроенной в прибор и проградуированной в градусах.

В этих пирометрах используют не всю энергию излучения нити и измеряемого тела, а лишь часть его в зоне красного излучения с максимумом интенсивности при длине волны около 0,65 мкм. Для этой цели перед глазом наблюдателя ставят красный светофильтр, задерживающий волны с длиной менее 0,62 мкм.

Использование энергии излучения в видимой части спектра вызвано тем, что интенсивность этого излучения растет намного быстрее по сравнению с интегральным излучением, и при этом малые изменения температуры дают большие отклонения яркости, что намного повышает точность измерения.

Выбор красного светофильтра, обеспечивающего работу прибора с излучением длиной волны 0,65 мкм, обусловлен желанием проводить измерения с достаточной степенью точности при низких температурах 700 - 1000°С), так как при этом интенсивность излучения в красной области спектра является наибольшей по сравнению с остальным излучением в видимой области спектра. Пирометры частичного излучения градуируются по излучению абсолютно черного тела. Поэтому при измерении температуры реальных тел они показывают более низкую по сравнению с действительной так называемую яркостную Т_я температуру, т.е. температуру абсолютно чёрного тела, при которой интенсивность при этой длине волны равна излучению реального тела.

Соотношение между яркостной температурой Т_я и истинной температурой Т_и определяется уравнением:

где - степень черноты (коэффициент излучательной способности нагретого тела), С₂=14,38·10^-3 м/град.

Подставляя значения постоянных коэффициентов и логарифмируя получим:

Отсюда по показанию пирометра Т_я и коэффициенту ε можно определить температуру исследуемого тела. Расстояние до измеряемого тела практически не влияет на результат измерения.

Пирометры частичного излучения получили наибольшее распространение. Он представляет собой телескоп, в котором изображение нагретого тела проектируется объективом на плоскость вольфрамовой нити. Это изображение и нить рассматривают через окуляр, причем наблюдатель видит на фоне тела более темное, либо более светлое изображение нити. Регулируя реостатом ток в лампе, добиваются полного исчезновения средней части нити на фоне измеряемого тела, что соответствует равенству их температур.

Одной из последних моделей такого типа приборов является пирометр общепромышленного назначения "Проминь", в котором телескоп, измерительный прибор и аккумулятор объединены в одном корпусе. Диапазон измеряемых температур от 800 до 5000 °С разделен на три поддиапазона:

800 – 1400; 1200 – 2000; 1800 - 5000°С.

Для измерения температур в третьем диапазоне применяется нейтральный светофильтр, который задерживает часть излучения от измеряемого тела, и поэтому яркость нити сравнивается с пониженной яркостью объекта.

Питание прибора производится от источника постоянного тока напряжением 6 В, представляющего собой батарею из аккумуляторов типа Д-0,55. Потребляемый ток не более 180 мА.

Перемещение окуляра вдоль оптической оси пирометра обеспечивает четкую видимость нити для глаза с нормой зрения ±5 диоптрий.

Объектив обеспечивает резкую видимость предметов, находящихся на расстоянии от 0,7 м от переднего среза объектива до опти­ческой бесконечности. Показатель визирования (отношение видимой части объекта к расстоянию между объектом и объективом телескопа) равен 1:1000, что позволяет визировать, при установке прибора на расстоянии 1 м, объекты размером до 1 мм.

Пирометры спектрального отношения. Если измерять интенсив­ность монохроматического излучения при какой либо температуре для двух диапазонов длин волн, например для красного и для сине-зеле­ного участков спектра, то отношение этих интенсивностей будет вполне определенным. В соответствии с законом Планка это соотно­шение не остается постоянным и будет меняться с температурой. При нагревании тела до температуры Т поверхностью тела испускаются фотоны. Фотоны имеет определенное распределение энергии, завися­щее от температуры поверхности Т. Макс Планк в 1900 г. показал, что энергия излучения длиной волны X, испускаемой черным телом с температурой Т, равна

где - плотность потока излучения черного тела при температуре Т,

С₁=3,7418·10^-16 Вт·м²- первая постоянная излучения,

С₂=1,4388 м∙К - вторая постоянная излучения.

Цветовые пирометры используют зависимость спектральной интенсивности излучения от температуры. Они основаны на методе определения температуры по величине отношения интенсивностей излучения в двух длинах волн λ₁ и λ₂. Чувствительность метода тем выше, чем шире спектральный диапазон, т.е. чем меньше λ₁ и больше λ₂. Еще одним преимуществом цветовых пирометров является независимость их показании от расстояния до излучающей поверхности, ее размеров и углов наклона.

Истинная температура подсчитывается по формуле:

, К

Для измерения цветовой температуры берут значения спектральных коэффициентов для λ₁=0,665 мкм, λ₂=0,457 мкм.

При измерении температуры серых тел пирометром спектрального отношения, градуированным по абсолютно черному телу, не надо вводить поправку на неполноту излучения.

Принципиальная схема цветового пирометра построена таким образом: лучи от измеряемого источника света падают на селеновый фотоэлемент, перекрытый поочередно синим и красным светофильтрами. В цепи фотоэлемента включен микроамперметр.