Для физического воспроизведения абсолютно черного тела можно использовать замкнутую полую сферу с равномерно нагретой внутренней поверхностью, имеющую очень малое по сравнению с поверхностью сферы отверстие. Любой луч, вошедший в это отверстие снаружи, почти полностью поглотится внутри сферы вследствие многократного отражения. Отверстие ввиду многократного отражения равномерно нагретой внутренней поверхностью будет излучать, как абсолютно черное тело. Для измерения температур используются следующие законы излучения.
Закон монохроматического излучения. Установлено, что абсолютно черное тело имеет непрерывный спектр излучения, охватывающее все длины волн. Оказывается, что распределение лучистой энергии в спектре неравномерно н зависит от температуры тела.
Радиационные пирометры (пирометры полного излучения) служат для определения температуры поверхности нагретого тела измерением мощности полного излучения. Мощность излучения воспринимается теплочувствительпым элементом, градуированным по излучению абсолютно черного тела. Теилочунствптсльнын элемент вместе Q оптической системой, концентрирующей энергию излучения, состав-лист основную часть пирометра, называемую телескопом.
Радиационные пирометры но конструктивному выполнению телескопов разделяются на рефлекторные и рефракторные. В пирометрах с рефлекторным телескопом концентрирующим устройством является сферическое зеркало, чаше всего металлическое или металлизированное, направляющее лучистую энергию на теплочувствительный элемент. Наводка производится визированием телескопа на излучатель через окуляр.
Нужно указать, что с точки зрения использования лучистой энергии рефлекторный телескоп имеет преимущество перед рефракторным, особенно при малых величинах излучения. Зеркало отражает на чувствительный элемент примерно 0,90—0,98 (в зависимости от сорта и качества зеркальной поверхности) всей лучистой энергии, дошедшей до зеркала. В рефракторных телескопах потерн лучистой энергии в линзе объектива значительно выше, достигая 0,3—0,1 всей лучистой энергии. Рефлекторный пирометр был сконструирован раньше рефракторного, однако в результате эксплуатации были выявлены существенные его недостатки. Чувствительный элемент и зеркало не. изолированы от окружающей атмосферы, загрязненной в производственных условиях пылью, а иногда агрессивными газами и имеющей резко меняющуюся влажность, что вредно (иногда разрушающе) действует на указанные элементы телескопа.
В телескопах радиационных пирометров применяются следующие чувствительные элементы:
Биметаллический приемник, выполненный в виде плоской биметаллической спирали, помещенной в фокусе зеркала или объектива радиационного телескопа. Один конец спирали закреплен внутри корпуса телескопа, к другому прикреплена показывающая стрелка, передвигаемая спиралью вдоль шкалы, помещенной тоже внутри телескопа. Шкала полупрозрачна, и при визировании телескопа на раскаленное тело положение стрелки относительно шкалы ясно видно через окуляр. Для внесения поправок на температуру окружающей среды шкалы прибора прикреплена к корпусу телескопа не жестко, а через другую мощную биметаллическую пружину, не подвергающуюся непосредственно действию излучения. Эта пружина поворачивает шкалу на тот же угол, на который закручивается спираль чувствительного элемента под влиянием только температуры телескопа. Следует отметить, что подобная компенсация может сопровождаться погрешностями разного знака.
Приемник в виде электрического термометра сопротивления представляет собой миниатюрный термометр сопротивления, намотанный чаще всего на слюдяную пластинку, помещенную в фокусе оптической системы, на которую концентрируется лучистая энергия. Имеются конструкции с использованием полупроводникового термометра сопротивления, очень удобного для этой цели. Защитной арматуры приемник обычно не имеет. Однако значительного распространения зта конструкция не получила ввиду сложности и хрупкости.
Термоэлектрические приемники нашли наибольшее распространение в радиационных пирометрах. Приемник выполнен в виде нескольких миниатюрных термопар, соединенных для увеличения т. э. д. с. последовательно. Рабочий конец термопар (чаше всего хромель — копель) имеет температуру порядка 150° С (при минимальной температуре измеряемого тела), а свободный конец (температура корпуса телескопа) примерно 20—30° С, и, следовательно, т. э. д. с. одной термопары будет не более 7 мв, что недостаточно для надежного применения милливольтметров в качестве измерительного прибора.
Погрешности разделяются на основные —при нормальных условиях работы и дополнительные—при условиях, отличающихся от нормальных. Основная погрешность комплекта радиационного пирометра определяется как средняя квадратичная от основных погрешностей телескопа и измерительного прибора. В некоторых случаях техническими условиями устанавливаются определенные числовые значения основной погрешности всего комплекта (эти значения и приведены ниже), причем обычно они не отличаются от значений погрешностей комплекта, вычисленных как средние квадратичные.
При классификации методов измерения температуры было указано, что основным условием (в особенности при контактных методах) для получения правильных результатов измерения температуры среды является термодинамическое равновесие между измеряемой средой и измеряющим телом. Достичь этого равновесия не так просто: этому препятствуют, с одной стороны, отток тепла от измеряющего тела, а с другой — изменение температуры измеряемой среды.
При рассмотрении вопросов теплового равновесия примем следующие ограничивающие условия:
Во всех предыдущих пунктах предполагалось, что температура во время измерения, до установившегося равновесного состояния, оставалась постоянной. Практически измеряемая температура среды колеблется, что вносит дополнительную погрешность в результаты измерения. При постоянстве температуры измерительная система прибора, приемник которого переносится из среды с низкой температурой чище всего +20° С в высокотемпературную среду, не сразу воспринимает истинное значение температуры, а через некоторый промежуток времени.
Для приближения температуры приемника к температуре газовой среды прибегают к увеличению скорости газового потока. Это увеличивает коэффициент конвективной теплоотдачи и способствует получению более правильных результатов.
При измерении температуры газовых потоков, движущихся с большой скоростью (100 м/сек и выше), возникают погрешности измерения, величина которых возрастает по мере увеличения скорости потока. Погрешность завышает показания измерительного прибора и происходит вследствие перехода кинетической энергии в тепловую из-за торможения потока на лобовой поверхности термоприемника.
Основными приборами, предназначенными для измерения тел пературы поверхности, являются пирометры излучения, различных модификаций. Они служат для измерения высоких температур. Здесь будут рассмотрены прочие методы измерения температур поверхностей, главным образом низких (от—200° С) и сравнительно невысоких (до (300° С). Измерение производится непосредственным соприкосновением и основное требование, которое предъявляется к термоприемникам это наименьшее искажение температурного поля поверхности тел, а также близлежащих слоев. При соблюдении этого условия приел пик должен находиться в тепловом равновесии с поверхностью.
Мы в социальных сетях:
