Спектр электромагнитного излучения

Виды термометры излучения по спектральному диапазону:

1) полного излучения,

2) широкополосного излучения,

3) узкополосного излучения (монохроматические).

Широкополосные пирометры - работают обычно в широком диапазоне волн от 0,3мкм до 2,5 - 20,5мкм (Рис.4.1)

Монохроматические яркостные пирометры. В 21 веке бесконтактные термометры, которые наиболее называют ИК-термометрами, стали особенно востребованным и популярным видом температурных приборов, хотя по точности сильно уступают контактным датчикам температуры, но незаменимы там, где необходимо быстро и безопасно сделать отсчет температуры поверхности. ИК-термометры применяются для диагностики тепловых и электрических линий передачи, источников тока, обнаружения неисправностей, вызванных утечками тепла, коррозией контактов и т.д. Онт востребованы там, где трудно или невозможно использовать контактный датчик - для оценки температуры сильнонагретых движущихся объектов, мощных моторов и турбин, расплавленных металлов. Одним из самых новых применений ИК-термометров является медицинская диагностика

Рассмотрим основные факторы, влияющие на точность результатов измерений пирометром более подробно.

1. Пирометр вычисляет температуру объекта измеряя поток теплового излучения с некоторой части его поверхности в рабочей области спектра (либо используя отношение потоков в двух и более областях спектра – в пирометрах спектрального отношения).

Для расчета плотности излучения в заданном спектральном интервале применяют закон Планка, который является основным и наиболее общим законом в теории теплового излучения:

, Вт/см³, (4.1)

где ε - излучательная способность, С₁ и С₂ – первая и вторая постоянные Планка, λ - длина волны, Т – температура.

Для непрозрачных тел:

ε = A = 1 – R , (4.2)

где A – коэф-т поглощения, R – коэф-т отражения.

Объект с R=0, т.е. полностью поглощающий падающее на него излучение, обладает наибольшей излучательной способностью ε = 1 и называется «абсолютно черным телом» (АЧТ). Реальные объекты имеют излучательную способность < 1 и, следовательно, излучают меньше энергии. Проблема заключается в том, что для большинства реальных объектов ε зависит как от температуры Т, так и длины волны λ, т.е. ε= f(λ,T), а также от многих других факторов – материала и формы объекта, состояния поверхности, наличия оксидной пленки, конденсата влаги и т.п. (Рис.3.16).

Дерево, пластик, органические материалы, камень, графит имеют излучательную способность около 0.8-0.95, в противоположность им излучательная способность металлов может изменяться в очень широких пределах, зависит от температуры и длины волны. Поверхность расплавленного металла образует гладкое зеркало, излучательная способность которого может быть менее 0.1, а излучательная способность плавающего на поверхности шлака может достигать значений 0.9 - 0.95.

Для корректного измерения температуры необходимо точно указать пирометру излучательную способность объекта, для определения которой в пирометрической практике в настоящее время используются следующие способы:

1) справочные таблицы, приводимые обычно в руководстве на пирометр или в справочниках. (Способ самый простой и наименее точный),

2) измерение температуры объекта контактным способом (например, поверхностной термопарой), затем, изменяя значение излучательной способности на задатчике пирометра, добиться равенства показаний пирометра и термопары. Если по каким либо причинам измерить температуру объекта контактным способом невозможно, эту процедуру проводят с образцом материала объекта, нагрев его до температуры близкой к температуре объекта. Некоторые модели пирометров имеют разъем для подключения термопары и могут измерять температуру контактным и бесконтактным способом одновременно.

3) просверлить в объекте (или в образце материала объекта) отверстие диаметром соответствующим диаметру поля зрения пирометра и глубиной, не менее чем в 5 раз больше диаметра. Измерить температуру внутри отверстия при помощи пирометра, излучательную способность созданной таким образом модели АЧТ можно принять = 1. Затем навести пирометр на неповрежденную поверхность объекта и, изменяя значение излучательной способности на задатчике пирометра, добиться показаний, близких к полученным ранее по модели АЧТ. (Этот способ наиболее трудоемок и приемлем если перепад температур по длине отверстия незначителен).

4) при невысоких температурах можно окрасить часть поверхности объекта черной матовой краской, излучательную способность которой можно принять 0.95, измерить температуру окрашенной поверхности пирометром, а затем определить излучательную способность неокрашенной поверхности, как описано выше.

2. Между пирометром и объектом не должно быть препятствий непрозрачных в рабочей области спектра пирометра, в противном случае, в результате уменьшения потока излучения, показания пирометра будут занижены. Объект измерения, напротив, должен быть непрозрачным в данной области спектра. Для примера рассмотрим обычное оптическое стекло при 25°С (Рис.4.5).

Если необходимо измерить температуру самого стекла – следует использовать пирометр, работающий в той области спектра, в которой стекло наименее прозрачно. (на рис. 4.3 при 25°С такая область - 5-8 мкм). При проведении измерений пирометром, работающим в области 1-2 мкм, будет измерена температура не стекла, а объектов находящихся за стеклом (следует заметить, что при температуре > 1000°С стекло становится непрозрачным в области 1-2 мкм).

Рис.4.3. Оптические характеристики стекла при 25°С	Рис.4.4. Пропускание 1 м воздуха при температуре 32ºС и влажности 75%

Содержание в воздухе перед объектом значительного количества пыли, дыма или пара снижает точность измерений, т.к. происходит селективное (в определенном диапазоне длин волн) или сплошное ослабление теплового излучения объекта. Селективное поглощение теплового излучения происходит даже в абсолютно чистом воздухе из-за поглощения газами входящими в его состав (в основном CO, CO₂, H₂O), что приводит к зависимости показаний пирометра от расстояния до объекта. Существуют так называемые «окна прозрачности» атмосферы, в которых поглощение минимально (1-1.7 мкм, 2-2.5 мкм, 3-5 и 8-14мкм, Рис.4.4).

При использовании в пирометре оптических фильтров (германиевые, кремниевые и др.) погрешность, возникающая из-за поглощения атмосферой, сводится к минимуму при условии попадания в «окна прозрачности».

Значительные погрешности возникают также при загрязнении поверхностей оптической системы пирометра, что приводит к необходимости их периодической очистки, или, в особо тяжелых условиях, к непрерывному обдуву чистым воздухом.

3. Учет геометрических параметров оптических систем производится на основе следующих представлений:

Оптическая система формирует поле зрения пирометра – область пространства, в пределах которой производится измерение температуры. Для корректного проведения измерений необходимо чтобы объект полностью перекрывал поле зрения. В противном случае:

1) поток теплового излучения попадающий на приемник (датчик) пирометра от объекта измерения уменьшится пропорционально сокращению перекрываемой объектом площади,

2) на приемник будет попадать излучение заднего фона (объектов, расположенных за объектом измерения).

Рассмотрим 3 основных варианта пространственной формы поля зрения пирометра:

1) приемник расположен перед или в фокусе линзовой либо зеркальной оптической системы. Поле зрения в этом случае - усеченный конус, расходящийся от пирометра (Рис. 4.5а).

2) приемник расположен за фокусом оптической системы. Поле зрения вначале сужается, а после прохождения “перетяжки” расширяется под углом, несколько большим угла сужения (Рис.4.5б).

3) оптическая система - диафрагма с калиброванным отверстием малого диаметра. Поле зрения, как и в первом случае, образует расходящийся от пирометра усеченный конус, наименьший диаметр которого равен диаметру отверстия (Рис.4.5в).

Рис.4.5. Поле зрения пирометра	Рис.4.6. Определение показателя визирования

Параметр, определяющий диаметр поля зрения пирометра, - «показатель визирования» h, равен отношению диаметра поля зрения к расстоянию до точки измерения (Рис.4.6).

Корректно рассчитать диаметр поля зрения пирометра на произвольном расстоянии, используя показатель визирования, можно только в случае изображенном на рис.4.5в. В случаях 4.5а и 43.6б такой расчет будет давать большую ошибку, так как для них h=f(L).

Критические параметры любого ИК-термометра:

1) оптическое разрешение

2) излучательная способность.

1) Оптическое разрешение (показатель визирования) - отношение диаметра пятна (круга) на поверхности, излучение с которого регистрируется пирометром к расстоянию до объекта. Чтобы правильно выбрать прибор, необходимо знать сферу его применения. Например, если нужно измерять температуру объекта с расстояния 4 метра, то ИК-термометр с оптическим разрешением 4:1 вряд ли подойдет: диаметр излучающей поверхности будет слишком большим, и в поле зрения термометра попадут посторонние объекты. Лучше выбрать разрешение, по крайней мере, 50:1. Однако если необходимо принимать излучение с небольшого расстояния, то лучше выбрать термометр с разрешением 4:1, т.к у него будет больше минимальная допустимая площадь излучения.

Следует иметь ввиду, что точность измерений температуры может значительно снижаться, если пользователь ошибочно нацеливает ИК-термометр на большую площадь, чем площадь измеряемого объекта.

У большинства современных термометров имеется специальный лазерный целеуказатель для точного наведения на объект измерения.

2) Излучательная способность (коэф-т излучения, «степень черноты»).

Характеризует способность поверхности тела излучать ИК энергию и определяется как отношение энергии, излучаемой конкретной поверхностью при определенной температуре к энергии излучения абсолютно черного тела (АЧТ) при той же температуре. Может принимать значения от очень малых, <0,1 до близких к 1.

ИК-термометры, как правило, дают возможность устанавливать для каждого объекта свой коэф-т излучения и неправильный его выбор – основной источник погрешности для всех пирометрических методов измерения температуры.

Выбор степени черноты производят по справочным таблицам, показывающим ее для различных материалов и различной обработки поверхности. При выборе следует учесть, что на величину коэф-та излучения сильно влияет окисленность поверхности металлов. Так, если для окисленной стали коэф-т составляет ≈ 0,85, то для полированной стали он снижается до ≈0,075.

Можно также использовать и наиболее распространенные экспериментальные методики определения коэф-та излучения.

1. Определить действительную температуру объекта с помощью контактного датчика - термопары, термометра сопротивления и т.д. Затем измерить температуру с помощью пирометра и подберать такую степень черноты, чтобы показания пирометра совпали с показаниями контактного датчика.

2. При сравнительно низких температурах объекта (до 250°С) можно наклеить на участок поверхности объекта ленту черного цвета (например, электроизоляционную). Затем измерить температуру ленты с помощью пирометра при установленной степени черноты 0,95. После этого измерить с помощью пирометра незакрытую лентой часть объекта и подбрать такую степень черноты, чтобы показания пирометра совпали с результатом измерения ленты.

3. Если часть объекта может быть окрашена, окрасить ее матовой черной краской, которая имеет степень черноты около 0,98. Затем измерить температуру окрашенного участка с помощью пирометра при установленной степени черноты 0,98. После этого измерить с помощью пирометра неокрашенную часть объекта и подбрать такую степень черноты, чтобы показания пирометра совпали с результатом измерения на окрашенном участке.

Следует отметить, что коэф-т излучения зависит от длины волны. Он тем выше, чем короче длина волны. Кроме того, ошибка, вызванная неточным определением коэф-та излучения, пропорциональна эффективной длине волны.

В случаях, когда, например, надо измерять температуру поверхности частично окисленного металла преимущество коротковолновых пирометров очевидно, т.к. окисленный слой будет иметь высокую и стабильную излучательную способность скорее при короткой длине волны, чем при длинной. Кроме того, коротковолновые яркостные пирометры обычно менее подвержены влиянию атмосферного поглощения, чем пирометры широкого спектра. Если поглощение вызвано частицами или каплями на пути визирования, уменьшенное значение погрешности при коротких волнах будет иметь меньшую относительную зависимость измерений температуры от энергии.

Поэтому там, где требуется высокая точность измерения температуры поверхности рекомендуется использовать коротковолновый яркостный пирометр.

Название “коротковолновый” – относительное, например при Т=1000°С 1мкм – короткая длина волны, в то время, как при Т=10°С 10 мкм также считается короткой длиной.

За критерий эффективной длины волны для отнесения пирометра к достаточно «коротковолновому» принимается максимальная длина волны, которая должна быть настолько короткой, чтобы обеспечить достаточную энергию для получения необходимого отношения сигнал-шум от детектора при минимальной измеряемой температуре. При выполнении теоретического анализа эффективной длины волны обычно исходят из предположения, что пирометры используют узкий диапазон волн и поэтому изменение показаний в зависимости от изменения температуры может быть определено по закону Планка:

(4.3)

где I(ν)dν - мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне частот от ν до ν + dν. u(λ)dλ – то же самое для диапазона длин волн от λ до λ+dλ

4.3. Основные характеристики пирометров