Понятие о температуре и о температурных шкалах

 

ПИРОМЕТРЫ 

Яркостные (оптические) пирометры

Измерение яркостной температуры  тела осуществляется путем сравнения  интенсивности излучения волн определенной длины измеряемого тела и регулируемого  источника света, яркостная температура  которого известна. В качестве чувствительного  элемента, определяющего совпадение интенсивностей излучения, служит обычно глаз человека.

Для выделения узкой спектральной области излучения применяются светофильтры. Узкую полосу пропускания можно получить с помощью сложной спектральной аппаратуры. В технических измерениях обычно применяют стеклянные светофильтры, имеющие широкую полосу пропускания. Это дает возможность использовать их лишь вблизи края видимого спектра, в области красных лучей.

Глаз человека обладает различной  спектральной чувствительностью. Максимум чувствительности приходится на волны длиной  = 0,555 мк. Относительная видность  среднего глаза показана на рис. 13, кривая 1. Граница пропускания одного из стеклянных

Рис.  13. Относительная    видность  среднего глаза человека и кривые пропускания  красного светофильтра.

красных светофильтров показана кривой 2 пропускания  . Фильтр с коэффициентом пропускания  пропускает длинные волны. Таким образом, при наличии фильтра глаз может воспринять излучение, отвечающее области, показанной площадкой абв (рис. 10). Изменение излучений в этой области можно приравнять к изменению интенсивности излучения узкого спектрального участка некоторой эффективной длины волны, по которой и вычисляется яркостная температура. Однако при изменении температуры фильтра кривая пропускания смещается. Пунктирной линией 3 показана кривая пропускания при изменении температуры от 20 до 80°С. Очевидно, что при этом изменится и эффективная длина волны . По ГОСТ 8335—67 красные светофильтры подбираются с такими зависимостями = f(), чтобы  = 0,65 ±0,01 мк на всем диапазоне измерений при температуре окружающей среды 20±5°С.

В Советском Союзе большое  распространение получили оптические пирометры с исчезающей нитью. В таких   пирометрах  интенсивность излучения тела на  длинах   волн   = 0,65   мк сравнивается с интенсивностью  излучения нити электрической (пирометрической) лампы накаливания на тех же длинах волн. Нить лампы проектируется на фоне раскаленного тела. Нить, нагретая меньше,

Рис. 14. Нить пирометрической   лампы на  фоне раскаленного  тела   при   температурах  нити: а — ниже   температуры     раскаленного   тела;    б — равной  температуре раскаленного  тела;   в — выше температуры    раскаленного   тела

 

Рис. 14. Схема оптического  пирометра  с исчезающей нитью переменного накала

чем раскаленное тело, будет  казаться темной на светлом фоне (рис. 14,а). Нить, нагретая более, чем раскаленное  тело, будет светлее фона (рис. 14,в). При равенстве яркостных температур нити и тела средняя часть нити исчезнет на фоне раскаленного тела (рис.. 14,б).

Уравнивание  яркостей достигается обычно изменением силы тока в лампе. Встречаются конструкции пирометров, у которых уравнивание яркостей осуществляется при постоянном накале лампы за счет ослабления фона раскаленного тела ослабляющим (нейтральным) светофильтром переменной толщины.

Яркостная температура лампы  устанавливается предварительной градуировкой в зависимости от силы питающего лампу тока или при постоянной силе тока — от положения ослабляющего светофильтра.

Уравнивание яркостей производится через красный светофильтр, выделяющий излучение, эквивалентное расчетной  эффективной длине волны .

Схематически оптический пирометр с исчезающей нитью переменного накала показан на рис. 15. Пирометрическая  (фотометрическая) лампа 3 питается током от батареи Б. Сила питающего тока  определяется    по   миллиамперметру    mА,   шкала   которого  обычно градуируется в соответствующих градусах яркостной температуры. Сила тока в лампе регулируется реостатом R  с помощью! поворотного кольца 6. Для фокусирования  изображения  измеряемого раскаленного тела с плоскостью нити лампы служит объектив 1. Окуляр   4 предназначается   для   корректирования   изображения нити по глазу наблюдателя. Красный светофильтр 5 включается к моменту отсчета; при предварительной наводке он может быть выключен.

Так как нить лампы во избежание  перекаливания нельзя нагревать выше 1400°С, то для измерения более высоких температур перед лампой включается ослабляющий (поглощающий) светофильтр 2, уменьшающий видимую интенсивность излучения раскаленного тела. Тогда уравнивание яркостей будет происходить при различных температурах: Т₁ — нити лампы и Т₂ — измеряемого тела.

При включенном ослабляющем  светофильтре силе тока, протекающего по нити лампы, будут соответствовать уже другие температуры измеряемого тела. Поэтому миллиамперметры имеют обычно две шкалы измерений: без ослабляющего (поглощающего) светофильтра и со светофильтром. Соотношение между температурами по этим шкалам определяется величиной А пирометрического ослабления. По уравнению Вина       

(27)

Коэффициент пропускания зависит от длины волны . Для того чтобы сохранить величину А постоянной независимо от колебаний эффективной длины волны , подбирают такие светофильтры, у которых произведение ∙сохраняется постоянным для волн вблизи =0,65 мк. Это позволяет выдержать требование ГОСТ 8335—67 в том, чтобы величина А пирометрического ослабления не изменялась более, чем на 1∙10^-6 град^-1 на всем интервале измеряемых температур.

 
 

Радиационные пирометры

Радиационные пирометры (суммарного излучения) определяют температуру  тела по плотности интегрального  излучения лучей всех длин волн, теоретически от  = 0 до = ∞. Практически оптическая система радиационных пирометров обычно ограничивает пропускание длинных волн. У стекла коэффициент пропускания волн резко уменьшается при ≈2,5 мк, достигая нулевого значения для ≥3 мк. Оптический кварц нормально пропускает волны длиной ≈3,5 мк, после чего коэффициент пропускания волн снижается, достигая нуля для ≥4,2 мк. При измерениях низких температур порядка 100°С, когда интенсивность излучения коротких волн (<1,0—1,5 мк) становится ничтожно малой и интегральное излучение определяется длинноволновой частью спектра, применяют для оптических систем другие материалы, например синтетический фтористый литий. Последний при толщине 2 мм имеет границу пропускания ≈9 мк. Очевидно, что в таких условиях пирометры строго не подчиняются закону Стефана—Больцмана.

Приемник интегрального  излучения должен быть практически  чувствительным ко всем длинам волн измеряемого  участка спектра и выполняется  обычно в форме тонкой металлической  пластинки, покрытой сажей. Температура  пластинки устанавливается в  результате теплового равновесия между подводимым потоком лучистой энергии и теплоотводом от пластинки в окружающую среду.

Температура пластинки обычно измеряется несколькими последовательно соединенными термопарами (термобатареей).

Рис. 16. Схема приемника  излучения    с    термобатареей    из шести термопар

 

На рис. 16 показана схема  приемника излучения с термобатареей из шести термопар. Рабочие концы термопар 2 расклепываются в форме Отдельных тонких секторов 4, зачерняются и располагаются в виде венчика. Поток лучистой энергии воспринимается площадью, диаметром, несколько большим диаметра зачерненных секторов. Свободные концы термопар привариваются к тонким металлическим пластинкам 1, прикрепленным к слюдяному кольцу 3 и находятся вне зоны лучистого потока. Слюдяное кольцо зажимается в металлическом корпусе. Температура свободных концов термопар близка к температуре корпуса. В современных радиационных пирометрах типа «Рапир» приемник излучения состоит из десяти термопар, собранных по схеме, изображенной на рис. 16. Металлический корпус с приемником излучения, оптической системой и другими дополнительными устройствами называют телескопом радиационного пирометра.

В старых конструкциях радиационных пирометров приемник излучения вместе с термопарами помещался в стеклянном баллончике, наполненном воздухом или инертным газом, и имел вид электрической лампочки. Температура свободных концов термопар в этом случае уже заметно отличалась от температуры корпуса телескопа.

Иногда в качестве приемника  излучения применяют болометры. Болометры представляют собой миниатюрные  металлические или полупроводниковые  пластинки, покрытые металлической чернью или сажей и меняющие свое электрическое сопротивление при нагревании лучистым потоком. Болометры могут воспринимать излучение волн практически всех длин.  

 Можно, в принципе, использовать  и любые другие теплочувствительные  элементы.

Оптическая система телескопа  предназначается для концентрации измеряемого потока лучистой энергии на приемнике излучения. Существуют две разновидности оптических систем: рефракторная-преломляющая (с линзой) и рефлекторная-отражающая (с собирательным зеркалом).

Рефракторные оптические системы (рис. 17, а) концентрируют лучистый поток после линзы 1 и диафрагмы 2 внутри конуса с углом . Рабочая часть приемника излучения 3 лежит внутри конуса. Для наводки на измеряемое тело служит окуляр 4, закрываемый для защиты глаза красным или дымчатым светофильтром 5. Патрубок 6 используется для вывода проводов от термобатареи.

Рефракторные системы  ограничивают пропускание длинных, волн (за счет линз). Это вызывает значительные отклонения от закона Стефана—Больцмана  и от вычисляемых на основании  этого закона разностей между  действительной и радиационной температурой. Градуировка рефракторных пирометров, по существу, получается эмпирической, не связанной строго с законами излучения.

Рис. 17. Схемы телескопов радиационных пирометров: а — с рефракторной   оптической   системой;   б — с  рефлекторной   оптической   системой

Рефлекторные оптические системы (рис. 17,б) концентрируют лучистый поток с помощью вогнутого  стального позолоченного зеркала 7. Концентрированный лучистый поток попадает на приемник излучения 3 со стороны, противоположной положению измеряемого тела относительно телескопа. Наводка на измеряемое тело осуществляется с помощью окуляра 4 со светофильтром 5 через отверстие в центре зеркала.

Рефлекторные системы  не имеют постоянных промежуточных  источников поглощения между измеряемым телом и приемником излучения. Позолоченные поверхности зеркала почти полностью  отражают лучи всех длин волн, начиная  от ≈0,5 мк. При измерениях относительно низких температур, когда излучение коротких волн ничтожно мало, рефлекторные системы почти полностью соответствуют закономерностям Стефана—Больцмана.

К сожалению, в эксплуатации открытые поверхности зеркал оказываются  неудобными из-за их загрязнения и  потускнения. Применение защитных стекол сводит на нет достоинства рефлекторных систем. Поэтому рефлекторные системы  используют лишь при бесконтактных измерениях низких температур, когда максимум излучения значительно смещается в сторону длинных волн.

Точность измерения радиационными  пирометрами всех конструкций существенно зависит от температуры внешней поверхности телескопа. При постоянной температуре измеряемого тела и, следовательно, постоянной температуре t приемника излучения, термо-э.д.с. термобатареи изменится, если возникнут изменения температуры телескопа и в связи с этим изменится температура свободных концов термопар t₀.

Для компенсации температуры  свободных концов t₀ термопар в пирометрах, серийно изготовляемых в СССР, применяют два метода. По первому методу шунтируют термобатарею сопротивлением R_ш из никелевой или медной проволоки. Для этого сопротивление устанавливают в корпусе телескопа так, чтобы температуры свободных концов термопар и сопротивления R_ш были практически одинаковыми. Этим создается замкнутая цепь (рис. 15), в которой устанавливается ток

где Е- термо-э. д. с., развиваемая  термобатареей;

R_T — сопротивление термобатареи,  

Ток i создает на участке ab падение напряжения 

(28)

Так как E=f(T_p), то и =F(Т_р ) Величина падения напряжения  измеряется милливольтметром или потенциометром П, отградуированным в единицах радиационной температуры Т_р. 

Рис. 18. Электрическая измерительная  схема радиационного пирометра

 

Рис. .19. Схема компенсации  температуры свободных концов термопар радиационного пирометра с помощью биметаллических пластин: Т — измеряемое  тело:     К — корпус    телескопа     пирометра

 

Если температура свободных  концов термопар увеличится, то термо-э.д.с. Е термопар уменьшится. Одновременно увеличится сопротивление R_ш, тем самым уменьшая значения знаменателя (28). Можно подобрать такое сопротивление R_ш, которое будет компенсировать изменение термо-э.д.с. Е.

По второму методу телескоп снабжается компенсирующим устройством, состоящим из биметаллических пластин и диафрагмирующих заслонок. При увеличении температуры корпуса телескопа, а вместе с ним и температуры свободных концов термобатареи, развиваемая ею термо-э.д.с. уменьшается. Уменьшение термо-э.д.с. компенсируется с помощью биметаллических пластин 2 (рис. 19), которые при повышении температуры корпуса деформируются и раскрывают диафрагмирующие заслонки 1. В результате увеличивается поток тепловой энергии, поступающей к приемнику излучения 3, и повышается температура рабочих концов термопар термобатареи, что и компенсирует увеличение температуры свободных концов. 

Цветовые  пирометры

Большинство современных  цветовых пирометров, применяемых в  промышленности, построено на принципе сравнения интенсивности излучения (яркостей) двух узких монохроматических участков видимого спектра. Наибольший интерес представляют собой пирометры, использующие для оценки интенсивностей излучения фотоэлементы, так как это позволяет создать приборы, объективно и непрерывно измеряющие температуры.

 

Рис. 20. Упрощенная схема цветового  пирометра ЦЭП-3

.

Интенсивность излучения  каждого из двух участков спектра  можно измерять своим фотоэлементом  и, сравнивая фототоки от них, определять температуру. Однако с течением времени  характеристики фотоэлементов изменяются неодинаково, что вносит погрешности в первоначальную градуировку прибора. Поэтому для определения интенсивности излучения обоих участков спектра правильнее использовать один фотоэлемент.

На рис. 20 приведена в  упрощенном виде схема цветового  пирометра типа ЦЭП-3. Поток излучения  от измеряемого тела Т поступает  через объектив Об и диафрагму  Д к обтюратору О,

вращаемому электрическим  двигателем ЭД со скоростью 50 оборотов в секунду. На обтюраторе установлены два комплекта цветных стеклянных светофильтров СФ и КФ, пропускающих узкие диапазоны длин волн, соответствующих эффективным длинам синих и красных волн. В результате на фотоэлемент Ф поочередно попадают лучи то синей, то красной эффективной длины. Образующиеся импульсы фототока разной величины преобразуются в электронном усилителе ЭУ в сигналы, пропорциональные логарифму отношения фототоков — функции значения цветовой температуры.