6.2. Монохроматические пирометры

Монохроматические пирометры воспринимают излучение в настолько узком диапазоне длин волн, что это излучение может считаться монохроматическим. Из рис. 23 видно, что спектральная энергетическая яркость при фиксированной длине волны возрастает с увеличением температуры. Для выделения необходимой части спектра в приборе устанавливается красный светофильтр, пропускающий излучение с длиной волны λ = 0,655 мкм. Принципиальная схема квазимонохроматического пирометра показана на рис. 24.

Излучение от объекта с помощью объектива 1 фокусируется в плоскости нити пирометрической лампы 2, поэтому изображение излучающего объекта и нити лампы будут одновременно видны наблюдателю в фокусе окуляра 3. Между нитью пирометрической лампы и окуляром располагается красный светофильтр 4, который пропускает излучение с заданной длиной волны. Ток в цепи лампы регулируется наблюдателем до тех пор, пока яркости нити лампы и объекта не уравняются. Равенство яркостей воспринимается наблюдателем как исчезновение нити на фоне контролируемого объекта.

Рис. 23. Спектральная энергетическая яркость для различных температур

Рис. 24. Принципиальная схема монохроматического пирометра

Ток накала пирометрической лампы ограничивают на уровне значения яркостной температуры примерно 1400 °С, поэтому для измерения более высоких температур между объективом и пирометрической лампой устанавливают поглощающее стекло 5. Это стекло ослабляет поток излучения от объекта измерения.

Поскольку пирометр градуируется по излучению абсолютно черного тела, то при измерении температуры реального тела он покажет температуру абсолютно черного тела T_Я, при которой спектральные яркости реального тела и абсолютно черного тела будут равны. Условная температура T_Я называется яркостной температурой тела.

Истинная температура тела и его яркостная температура связаны соотношением

где λ – используемая длина волны излучения, мкм; С₂ = 14388 мкм∙К;

− коэффициент излучения тела при длине волны λ.

Рабочий диапазон температур монохроматических пирометров составляет от 800 °С до 4000 °С.

6.3. Пирометры полного излучения

Пирометры полного излучения (их часто называют радиационными пирометрами) воспринимают излучение в широком диапазоне длин волн, поэтому температура тела определяется по интегральной энергетической яркости. Зависимость интегральной энергетической яркости абсолютно черного тела от температуры описывается законом Стефана – Больцмана. Поскольку пирометр градуируется по излучению абсолютно черного тела, то при измерении температуры реального тела он покажет температуру абсолютно черного тела T_Р, при которой интегральные яркости реального тела и абсолютно черного тела будут равны. Условная температура T_Р называется радиационной температурой тела.

На основании уравнения Стефана – Больцмана можно записать

откуда

Схема пирометра полного излучения показана на рис. 25. Излучение от измеряемого тела попадает на объектив 1 и через диафрагму 2 фокусируется на горячих спаях термобатареи 3. Термобатарея представляет собой десять последовательно соединенных между собой в «звездочку» миниатюрных хромель-копелевых термопар, изготовленных из фольги толщиной 4 мкм. Рабочие (горячие) спаи термопар располагаются в центре, а свободные (холодные) концы располагаются по окружности. Там же располагается термокомпенсирующее сопротивление – медная катушка, шунтирующая термобатарею. Фокусируемое на горячих спаях излучение нагревает их, в результате чего в цепи термобатареи появляется ток.

Рис. 25. Принципиальная схема пирометра полного излучения

Протекающий ток создает на термокомпенсирующем сопротивлении падение напряжения, которое измеряется прибором ИП. Визирование пирометра на объект излучения производится с помощью окуляра 4 и диафрагмы 5. Часто визирование осуществляется при помощи лазерного указателя. Недостатком линзовой (рефракторной) оптики является ограниченность диапазона пропускания излучения. У линз из стекла граница пропускания ~ 2 мкм, у кварцевых линз ~ 4 мкм. Более широкий диапазон пропускания имеют конструкции пирометров полного излучения с фокусирующим вогнутым зеркалом (рефлектором).

Пирометры полного излучения применяются для измерения температур от 0°С до 3000 °С.

Общим недостатком как монохроматического пирометра, так и пирометра полного излучения является зависимость погрешности измерения температуры от степени точности определения фактической величины используемых коэффициентов излучения. Реальная погрешность определения может составлять ±(10…20) %. Погрешность определения в некоторых случаях доходит до ±50 %. Существенно меньше эта составляющая погрешности измерения в пирометрах спектрального отношения.