Измерение температуры тел по излучению. Яркостная, цветовая и радиационная температуры. Оптические, цветовые и радиационные пирометры.

Верхний предел применения контактных методов ограничива­ется значениями до 2200 °С. Однако в ряде случаев в промышлен­ности и при исследованиях возникает необходимость измерять более высокие температуры. Кроме того, часто недопустим непо­средственный контакт термометра с измеряемой средой. В этих слу­чаях применяются бесконтактные средства измерения температуры, которые измеряют температуру тела или среды по тепловому излучению. Такие средства измерения называются пирометрами. Серийно выпускаемые пирометры применяются для измерения температур до 4000 °С.

Интенсивность теплового излучения реальных тел зависит от фи­зической природы тела и коэффициента излучения (степени черноты), значение которого определяется температурой и состоянием поверх­ности. Значение коэффициента излучения изменяется при измене­нии состояния поверхности и температуры. В силу этого пирометры излучения градуируются по абсолютно черному телу. Поэтому при измерении температуры реальных тел, пирометры оценивают некоторую условную температуру. Действи­тельная температура тела рассчитывается по пересчетным фор­мулам с использованием значения коэффициента излучения. В современных пирометрах такой пересчет осуществляется авто­матически. По используемому методу измерения пирометры подразделяются на четыре группы: монохроматические, полного излучения, частичного излучения, спектрального отношения.

Яркостной температурой Т_я называется условная температура реального нечерного тела, численно равная такой температуре абсо­лютно черного тела, при которой спектральные энергетические яркости абсолютно черного тела В_охт при температуре Т_я и реального тела В_хт при температуре Т равны. (λ-используемая длина излучения, мкм, С₂=14388 мкмК – константа излучения, ε_λ – коэф. излучения на длине волны λ).Из определения яркостной температуры, а также из выражения легко установить, что для реальных тел яркостная температура всегда меньше действительной, так как ε < 1.

Оптические пирометры. (м онохроматические) воспринимают излучение в столь узком диапазоне длин волн, что оно считается монохроматическим (обычно это излу­чение красной части спектра с λ= 0,65 мкм). Этот участок спектра выделяется светофильтром в сочетании с кривой спектральной чув­ствительности измерения. В монохроматическом (квазимонохроматическом) пирометре темпе­ратура тела определяется по спек­тральной энергетической яркости излучения при определенной длине волны, она увеличивается с ростом темпера­туры. Предположим, что Т действительная температура измеряемого реального нечерного тела. Тогда спектральная энергетическая яркость этого тела будет B_λT.Так как пирометр градуировался по излучению черного тела, то он пока­жет температуру абсолютно черного тела Т_я, при которой спектраль­ные энергетические яркости реального тела В_λт и абсолютно черного тела В_{0λ т} будут равны. Условная температура Т_я называется яркостной температурой тела.

Одним из современных моно­хроматических пирометров является визуальный пирометр с исчезающей нитью накала. В пирометре использован принцип уравнивания яркости изображения объекта с яркостью пирометрической лампы, находящейся внутри пирометра. Яркость нити изменяется наблюда­телем, равенство яркостей воспринимается им как исчезновение нити на фоне контролируемого объекта.

Пирометр, действие которого основано на использовании зависи­мости от температуры тела отношения спектральной энергетической яркости для двух фиксированных длин волн, называется пиромет­ром спектрального отношения (цветовым).

В пирометре спектрального отношения температура тел опреде­ляется по отношению спектральных энергетических яркостей для двух длин волн. Предположим, что действительная температура реального тела T, тогда отношение спектральных энергетических яркостей при длинах волн λ1, и λ₂ будет В_λ1T/ В_λ2T. Так как пирометр градуировался по излучению черного тела, то он покажет тем­пературу абсолютно черного тела Т, при которой отношение спек­тральных энергетических яркостей реального тела будут равны:

Цветовой температурой T_ц называется условная температура реального тела численно равная такой температуре абсолютно чер­ного тела, при которой отношение спектральных энергетических яркостей абсолютно черного тела при длинах волн λ1, и λ₂ равно отношению спектральных яркостей при тех же длинах волн реаль­ного тела с температурой Т.

Таким образом, определяя действительную температуру по ее цветовой температуре, показываемой пирометром, необходимо знать длины волн, при которых вычисляется отношение спектральных энергетических яркостей и отношение коэффициен­тов излучения. Для тел, у которых при λ₂ > λ1 ε2 <ε₁

(большинство металлов), Тц > Т. Для тел, у которых при λ₂ > λ1 ε2 >ε₁ (многие неметаллические тела), Тц < Т. При ε_λ2 =ε_λ1 цвето­вая температура равна действительной. Это обусловливает достоин­ство цветового метода измерения, поскольку яркостная и радиаци­онная температура всегда меньше действительной.

Пирометры полного излучения (обычно называются радиацион­ными) воспринимают излучение в столь широком спектральном интервале, что зависимость интегральной энергетической яркости от температуры с достаточной точностью описывается законом Стефана—Больцмана, связывающим энергию излучения абсолютно черного тела с его температурой.

Радиационной температурой Тр называется условная темпера­тура реального тела, численно равная такой температуре абсолютно черного тела, при которой интегральные энергетические яркости

В пирометре полного излучения температура тела определяется по интегральной энергетической яркости излучения. Предположим, что действительная температура реального тела равна Т. Интеграль­ная энергетическая яркость будет В_т. В связи с тем, что пирометр градуировался по излучению черного тела, при визировании на реальное тело он покажет температуру абсолютно черного тела Т₀, при которой интегральные энергетические яркости реального тела и абсолютно черного тела будут равными.

е_г — полный коэффициент излучения (интегральная степень черноты).

Для реальных тел радиационная температура всегда меньше действительной, так как для реальных тел ε _T < 1.

Для определения действительной температуры Т по радиацион­ной температуре тела Т необходимо знать только значение инте­грального коэффициента излучения ε _T.

Практическое определение ε _T связано с большими трудностями, чем определение ε_{λ T}. И разброс значений ε _T в зависимости от состояния поверхности для одного и того же материала очень велик. Поэтому и ошибки определения действительной температуры тела по его радиационной температуре будут значительными.