Принципы бесконтактного измерения температуры — КиберПедия 

Двойное оплодотворение у цветковых растений: Оплодотворение - это процесс слияния мужской и женской половых клеток с образованием зиготы...

Состав сооружений: решетки и песколовки: Решетки – это первое устройство в схеме очистных сооружений. Они представляют...

Принципы бесконтактного измерения температуры

2017-12-11 882
Принципы бесконтактного измерения температуры 0.00 из 5.00 0 оценок
Заказать работу

 

В соответствии с законами физики колебательное движение электрических зарядов или заряженных частиц вызывает появление в окружающем пространстве пере­менного электромагнитного поля, т.е. электромагнитных волн. В материаль­ных телах такими заряженными частицами являются ионы кристаллической решетки, связанные и свободные электроны, а также элементарные диполи, образуемые молекулами жидкостей, газов и аморфных тел. Согласно моле­кулярно-кинетической теории все эти частицы находятся в непрерывном хао­тическом тепловом движении, скорость которого определяется средней энер­гией этих частиц, т.е. их температурой. Следовательно, любое физическое тело, находящееся при температуре отличной от абсолютного нуля, должно излучать окружающее пространство широкий спектр электромагнитных волн.

Ø Тепловым излучением. называют электромагнитное излуче­ние, возбуждаемое тепловым движением заряженных частиц в твердых телах, жидкостях, газах или плазме,

 

Нагретые тела излучают во всех диапазонах электромагнитных волн – ра­диочастотном, микроволновом, оптическом, рентгеновском. В диапазоне наиболее интересных с практической точки зрения температур, т.е. от темпе­ратуры кипения жидкого кислорода (100 К) до температуры солнечной по­верхности (10000 К), подавляющая часть энергии теплового излучения со­держится в оптическом диапазоне длин волн. Поэтому именно эта часть энергетического спектра электромагнитных волн используется в тепловых измерениях.

Ø Оптический диапазон электромагнитных волн -электромагнит­ное излучение с длинами волн от 1 нм до 1 мм.

 

Тепловое излучение нагретого тела несет в себе информацию о темпера­туре этого тела. Следовательно, связь между энергетическими и спектраль­ными характеристиками теплового излучения, с одной стороны, и темпера­турой нагретого тела, с другой, может лежать в основе методов измерения температуры.

Ø Оптическая пирометрия – комплекс методов измерения темпе­ратуры нагретых тел по их собственному тепловому из­лучению в оптическом диапазоне длин волн

Основным достоинством оптической пирометрии является возмож­ность дистанционного измерения температуры без непосредственного кон­такта измерительного прибора с объектом, т.е. практически без нарушения его естественного теплового состояния.

 

Бесконтактные методы измерения температуры базируются на связи между температурой тела и мощностью их собственного теплового электромагнитного излучения. Для идеального теплового излучателя, т.е. абсолютно чёрного тела (АЧТ) эта связь описывается формулой Планка:

 

. (1)

 

где М 0(l,Т) – мощность электромагнитного излучения, испускаемого абсолютно черным телом находящемся при температуре Т в бесконечно малом интервале длин волн d l,

С 1 и С 2 – пирометрические константы,

где с 0 – скорость света, h – постоянная Планка;

где k – постоянная Больцмана, l – длина волны, Т – температура объекта;

 

Закон Стефана-Больцмана. Если провести интегрирование спектральной плотности мощности, определяемой формулой Планка, по всему диапазону длин волн от l = 0 до l= ¥, то получим выражение для полной плотности мощности теплового излучения абсолютно черного тела, находящегося при температуре Т - з акон Стефана-Больцмана:

, Вт/м2

где s=5,67032×10-8 Вт/(м2К) – постоянная Стефана-Больцмана

Формула (10) определяет потери энергии нагретым телом за счет собственного теплового излучения. Согласно мощность теплового излучения с 1 м2 поверхности АЧТ составляет примерно 0,5 кВт при комнатных температурах (300 0С) и 160 кВт при температуре 1000 0С.

Формула Вина. При малых длинах волн l <<l max в уравнениях в знаменателе формулы Планка можно пренебречь единицей по сравнению с экспонентой, exp(C2/lТ)>>1. Тогда формула Планка переходит в уравнение, которое выражает формулу Вина, которая описывает спектральное распределение плотности мощности теплового излучения в коротковолновой области:

 

Если выполняется условие <3000 мкм×К, то погрешность, которую дает применение формулы Вина вместо формулы Планка, будет менее 1%. Погрешность, связанная с такой заменой, естественно, будет увеличиваться с повышением температуры и длины волны. В видимом диапазоне длин волн при температурах ниже 1000 К погрешностью, которую дает применение этого уравнения вместо формулы Планка, обычно можно пренебречь. Применение формулы Вина значительно упрощает все вычисления, поэтому, когда это возможно, все расчеты в пирометрии ведут в «виновском приближении»

 

Из формулы Планка и вытекающих из него закона Вина и закона Стефана-Больцмана следует, что измерив мощность теплового излучения на известной длине волны можно вычислить температуру нагретого тела. Это положение является основой метода измерения температуры нагретых тел по их собственному тепловому излучению – оптической пирометрии.

Однако, характеристики теплового излучения реальных тел могут существенно отличаться от характеристик излучения АЧТ. Это различие связано как с особенностями физического строения, химического и фазового состава различных веществ, так и с текущим состоянием их поверхности, которое определяется степенью шероховатости, способом обработки и хранения, наличием окислов или других соединений, абсорбированных на поверхности соединений, угла, под которым ведется измерение и многими другими факторами.

Связь характеристик излучения реальных тел с характеристиками излучения абсолютно чёрного тела определяется законом излучения Кирхгофа, который устанавливает связь между коэффициентами поглощения a(l, Т) и коэффициентом излучения e(l ,Т) нагретого тела. Коэффициент излучения тела e(l ,Т) часто также называют излучательной способностью или степенью черноты поверхности тела.

Согласно закону Кирхгофа в условиях теплового равновесия коэффициент поглощения равен коэффициенту излучения:

 

 

Отсюда следует, что поскольку поглощательная способность АЧТ равна 1, a(l, Т) =1, то для реальных тел, отличных от АЧТ, значения поглощательной и, соответственно излучательной способности, всегда будут меньше единицы a(l, Т), e(l ,Т)< 1.

Другое следствие из закона Кирхгофа и самого определения поглощательной способности позволяет выразить мощность теплового излучения нагретого реального тела М(l,Т) на длине волны через величину его излучательной способности и мощность излучения АЧТ М0(l,Т) на той же длине волны и находящегося при температуре, равной температуре реального тела:

 

 

Таким образом, для определения температуры реального нагретого тела по его собственному тепловому излучению требуется дополнительно знание величины излучательной способности его поверхности. Поскольку она зависит от множества трудно учитываемых факторов, то ее значения могут быть известны только со сравнительно небольшой точностью. Даже в лабораторных условиях эту величину в большинстве случаев можно определить только с достаточно большой погрешностью (относительная погрешность De(l. Т)/e(l, Т) ~1 - 5% считается очень хорошей). Кроме того, на практике значение e(l, Т) часто могут изменяться во времени, например в процессе окисления горячего металла при его продвижении по прокатному стану.

Определение зависимости коэффициента излучения от длины волны и температуры проводится экспериментально и сопряжено со значительными трудностями, поэтому на данный момент исследованы только некоторые, важные для пирометрии материалы, например, вольфрам. Для других материалов чаще всего исследуются зависимости коэффициента излучения только от температуры во всем диапазоне длин волн (интегральная излучательная способность) или на одной длине волны (монохроматическая излучательная способность).

На рис. 1 приведен пример зависимости коэффициентов излучения двух марок стали от температуры для различных условий. Как видно из рисунка, коэффициенты излучения сильно зависят от качества обработки поверхности: у полированной стали (график 4) коэффициент излучения изменяется в пределах от 0,1 до 0,2, а с увеличением шероховатости увеличивается свыше 0,6.

 

Рисунок 1. Излучательные характеристики нержавеющей стали типа Х28 и стали 2Х13 [2]

Нормальная интегральная излучательная способность:

1 – Х28, поверхность со средней высотой микронеровностей r=0,05 мкм;

2 – Х28, r = 0,4 мкм.

Монохроматическая излучательная способность на длине волны λ=650 нм:

3 – Х28, r = 0,05 мкм;

Нормальная интегральная излучательная способность:

4 – 2Х13, поверхность полирована;

5 – 2Х13, r = 5,92 мкм; 6 – 2Х13, r = 6,25мкм; 7 – 2Х13, r = 11,1 мкм.

 

Таким образом проблема корректного определения и учета значения излучательной способности является главной проблемой практической пирометрии.

 

Принцип действия пирометра.

Оптоэлектронный прибор, с помощью которого осуществляется дистанционное бесконтактное измерение температуры нагретых тел по из собственному тепловому излучению называется оптическим пирометром или просто пирометром..

В зависимости от используемого принципа и метода измерения пирометр может иметь самую различную конструкцию. На рис. 1. приведена обобщенная схема устройства пирометра.

Рисунок 2. Устройство яркостного пирометра.

Тепловое излучение от объекта собирается оптической системой (объективом, линзой, оптоволоконным световодом) и через оптический светофильтр (или систему светофильтров), который выделяет из всего спектра теплового излучения один или несколько спектральных диапазонов (пирометрические длины волн). Излучение в выбранном спектральном диапазоне фокусируется на фотоприемник (или нескольких фотоприемниках по числу спектральных диапазонов), который преобразует тепловое излучение объекта в электрический сигнал. Этот сигнал обычно называют пирометрическим сигналом, поскольку именно в результате его последующей обработки определяется численная величина температуры нагретого тела.

Величина пирометрического сигнала определяется мощностью теплового излучения и свойствами поверхности объекта, оптическими характеристиками окружающей среды, параметрами самого пирометра:

 

 

где:

· интегрирование ведется по интервалу длин волн от l-Dl/2 до l+Dl/2, величина интервала Dl определяется конструкцией пирометра.

· UN(T) – величина пирометрического сигнала, а N – индекс, показывающий сколько и какого типа спектральных каналов используется в пирометре;

· Т – температура нагретого тела (объекта измерений);

· G – коэффициент, характеризующий долю испускаемого нагретым телом теплового излучения, которая попадает в объектив пирометра. Величина этой доли, т.е. значения коэффициента G, может изменяться при изменении расстояния между пирометром и объектом.

· x (l) – аппаратная функция пирометра, показывающая зависимость спектрально-энергетических характеристик пирометра (спектральной чувствительности) от длины волны излучения;

· e (l,Т) – излучательная способность поверхности объекта, которая является функцией температуры и длины волны;

· t (l,Т) – коэффициента пропускания среды между нагретым телом и пирометром, который тоже есть функция длины волны излучения. В дальнейшем будем полагать, что поглощение в среде мало и может быть учтено соответствующей корректировкой величины e (l,Т);

· М0(l,Т) –. спектральная плотность мощности излучения АЧТ, которое находится при температуре, равной температуре объекта.

 

Для того, чтобы вычислить температуру по величине пирометрического сигнала необходимо решить интегральное уравнение. Такое решение чрезвычайно сложно с математической точки зрения и будет содержать большую погрешность даже при точно известных значениях оптических характеристик объекта и пирометра. Поэтому на практике обычно используют некоторые приближенное способы решения, из которых наиболее часто используют следующие:

1. Если оптическая система пирометра вырезает из всего спектра теплового излучения очень узкие диапазоны длин волн, DlÞ 0, то такие пирометры называют монохроматическими. В этом случае можно не учитывать спектральную зависимость коэффициентов и считать их постоянными. Тогда для выбранного спектрального диапазона (спектральной компоненты теплового излучения) уравнение в приближении Вина можно преобразовать к виду:

 

 

где К(lN) = КN - полное значение аппаратной функции пирометра (спектральной чувствительности) на выбранной пирометрической длине волны.

e(lN, Т) = eN(T) – значение излучательной способности на данной пирометрической длине волны – монохроматическая излучательная способность

2. В противоположном предельном случае – спектральная селекция теплового излучения отсутствует и приемник излучения пирометра воспринимает все тепловое излучение объекта, оптический пирометр называют энергетическим (или пирометром полного излучения). Тогда с учетом закона Стефана-Больцмана можно представить следующим образом:

 

 

где К S - интегральная энергетическая чувствительность пиромтера

eS(Т) – величина излучательной спсобности, усредненная по всему спектру теплового излучения – интегральная излучательная способность.

 

В общем случае пирометр не является монохроматическим, светофильтры его оптической системы выделяют из теплового излучения достаточно широкую область спектра, Dl»10-20 нм и более. Тогда, если учесть, что во многих практически важных случаях значение излучательной способности в интервале Dl изменяется сравнительно мало, то согласно теореме о среднем, (известной из математического анализа, выражение () может быть приведено к виду:

 

 

где leff – называется эффективной длиной волны оптического пирометра и лежит в интервале длин волн от l-Dl до <l+Dl.

Величина интеграла в правой части () есть передаточная функция оптического пирометра (аппаратная функция), которая определяется только техническими характеристиками самого пирометра и не зависит от параметров объекта и является постоянной величиной KN для данного измерительного канала пирометра. Поэтому в области, где справедливо приближение Вина, связь величины пирометрического сигнала с величиной температуры будет выражаться формулой:

 

Таким образом, мы получили общее выражение, связывающее величину пирометрического сигнала с характеристиками теплового излучения объекта и аппаратной функцией пирометра, и три наиболее практически значимых частных решения. Но во всех случаях для нахождения температуры нам необходимо знание аппаратной функции (передаточной функции, спектральной чувствительности) пирометра.

Аппаратная функция оптического пирометра определяется в процессе его калибровки. Калибровка пирометра осуществляется путем измерения зависимости пирометрических сигналов от температуры эталонного теплового излучателя, то есть объекта, излучательные характеристики которого точно известны. Таким излучателем может служить модель АЧТ в виде длинного полого цилиндра (или конуса), нагреваемого электрическим током до температуры порядка 2000 С или помещенная в вакуум полированная пластина, изготовленная из вольфрама, излучательная способность которого хорошо известна. В последнем случае в процессе калибровки все равно происходит пересчет полученных значений характеристики теплового излучения в характеристики АЧТ.

В результате калибровки для каждого из каналов пирометра получается калибровочная таблица, содержащая дискретный ряд (обычно 5-10) значений температуры АЧТ и соответствующих ей значений пирометрических сигналов. Используя различные виды аппроксимации (линейную, экспоненциальную, степенную и др.) на основе этой таблицы может быть построена непрерывная функция, описывающая зависимость пирометрического сигнала UN от температуры T эталонного излучателя (АЧТ), UN =f(T).

В простейшем случае этой таблицы полученной аппроксимационной формулы достаточно для того, чтобы определить некую условную температуру нагретого тела. Например, для градуировки шкалы аналогового пирометра или записи в память микропроцессорного прибора. Такой способ будет неплохо работать в случаях, описываемых формулами () и (). Однако, если пирометр не может рассматриваться как монохроматический или энергетический, то простое использование калибровочной таблицы не позволяет корректно учесть значение излучательной способности реальных тел.

Решить эту задачу позволяет дальнейший анализ полученной при калибровке функции UN=f(T), итогом которого являются значения коэффициентов передачи пирометра KN по каждому из его каналов и температурная зависимость их эффективных длин волн leff.= f(T). В результате мы имеем возможность по уровню пирометрического сигнала рассчитать соответствующую мощность излучения реального нагретого тела:

 

 

 


Поделиться с друзьями:

Особенности сооружения опор в сложных условиях: Сооружение ВЛ в районах с суровыми климатическими и тяжелыми геологическими условиями...

Эмиссия газов от очистных сооружений канализации: В последние годы внимание мирового сообщества сосредоточено на экологических проблемах...

Биохимия спиртового брожения: Основу технологии получения пива составляет спиртовое брожение, - при котором сахар превращается...

Адаптации растений и животных к жизни в горах: Большое значение для жизни организмов в горах имеют степень расчленения, крутизна и экспозиционные различия склонов...



© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!

0.044 с.