Физические основы измерения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Донецкий Национальный Университет

Физический факультет

Контрольная работа

по предмету "Физические основы измерения"

студентки 4 курса

заочного отделения

физического факультета

по специальности: "Метрология

и измерительная техника"

Кононенко Светлана Юрьевна

Преподаватель:

Доц. Асланов П.В.

Донецк 2011

Пирометры (от греч. pyr -- огонь и ...метр), приборы для измерения температуры непрозрачных тел по их излучению в оптической диапазоне спектра. Тело, температуру которого определяют при помощи Пирометры, должно находиться в тепловом равновесии и обладать коэффициентом поглощения, близким к единице (см. Пирометрия). Распространены яркостные, цветовые и радиационные Пирометры Основным типом является яркостные Пирометры, обеспечивающий наибольшую точность измерений температуры в диапазоне 10³--10⁴ К. В простейшем визуальном яркостном Пирометры с исчезающей нитью (рис. 1) объектив фокусирует изображение исследуемого тела на плоскость, в которой расположена нить (ленточка) эталонной лампы накаливания. Через окуляр и красный фильтр, позволяющий выделять узкую спектральную область около длины волны l_э = 0,65 мкм, нить рассматривают на фоне изображения тела и, изменяя ток накала нити, добиваются выравнивания яркостей нити и тела (нить в этот момент становится неразличимой). Шкала прибора, регистрирующего ток накала, прокалибрована обычно в °С или К, и в момент выравнивания яркостей прибор показывает так называемую яркостную температуру (T_b) тела. Истинная температура тела Т определяется на основе законов теплового излучения Кирхгофа и Планка по формуле:

Т = TbC₂/(C₂ + l _эТь Ina_l,T), (1)

где C₂ = 0,014388 м ?К, a_{l, T} -- коэффициент поглощения тела, l _э -- эффективная длина волны Пирометры Точность результата в первую очередь зависит от строгости выполнения условий пирометрия, измерений (a_{l, T} " 1 и др.). В связи с этим наблюдаемой поверхности придают форму полости. Основная инструментальная погрешность обусловлена нестабильностью температурной лампы. Заметную погрешность могут вносить также индивидуальные особенности глаза наблюдателя. У фотоэлектрических Пирометры (рис. 2) этот вид погрешности отсутствует. Погрешность образцовых лабораторных фотоэлектрических Пирометры не превышает сотых долей градуса при Т = 1000 °С. Промышленные серийные фотоэлектрические Пирометры обладают на порядок большей погрешностью, визуальные -- ещё на порядок большей. Образцовые яркостные Пирометры приняты в качестве основных интерполяционных приборов, определяющих Международную практическую температурную шкалу (МПТШ-68) при температурах выше точки затвердевания золота (1064,43 °С).

Для измерения температуры тел, у которых const в оптическом диапазоне спектра, применяют цветовые Пирометры. Этими Пирометры определяют отношение яркостей обычно в синей и красной областях спектра b₁(l₁, T)/b₂(l₂, T) (например, для длин волн l₁ = 0,48 мкм и l₂ = 0,60 мкм). Шкала прибора прокалибрована в °С и показывает цветовую температуру T_c.

Истинная температура Т тела определяется по формуле

.(2)

Цветовые Пирометры менее точны, менее чувствительны и более сложны, чем яркостные; применяются в том же диапазоне температур.

Наиболее чувствительны (но и наименее точны) радиационные Пирометры, или Пирометры суммарного излучения, регистрирующие полное излучение тела. Действие их основано на Стефана -- Больцмана законе излучения и Кирхгофа законе излучения. Объектив радиационных Пирометры фокусирует наблюдаемое излучение на приёмник (обычно термостолбик или болометр), сигнал которого регистрируется прибором, прокалиброванным по излучению абсолютно чёрного тела и показывающим радиационную температуру T_r. Истинная температура определяется по формуле (3) где a_T -- полный коэффициент поглощения тела. Радиационными Пирометры можно измерять температуру, начиная с 200°С. В промышленности Пирометры широко применяют в системах контроля и управления температурными режимами разнообразных технологических процессов.

Рис. 1. Принципиальная схема визуального яркостного пирометра с исчезающей нитью: 1 -- источник излучения; 2 -- оптическая система (телескоп пирометра); 3 -- эталонная лампа накаливания; 4 -- фильтр с узкой полосой пропускания; 5 -- объектив; 6 -- реостат, которым регулируют ток накала; 7 -- измерительный прибор (миллиамперметр).

Рис. 2. Оптическая система автоматического фотоэлектрического пирометра: 1 -- источник излучения; 2 -- линзы оптической системы; 3 -- модулятор, попеременно пропускающий излучение источника и эталонной лампы 4 к фотоэлементу 7; 5 -- фильтр с узкой частотной полосой пропускания; 6 -- погнутая линза.

Фотоэлемент поочерёдно освещается то источником, то лампой. При неравенстве создаваемых ими освещённостей в цепи фотоэлемента возникает переменная составляющая фототока, амплитуда которой пропорциональна разности освещённостей. При измерениях ток накала лампы регулируют так, чтобы переменная составляющая фототока стала равна нулю.

Пирометрические методы

Пирометрические методы измерений температуры охватывают широкий диапазон температур--от 173 до 6000 К, включающий в себя низкие, средние и высокие температуры. Эти методы основаны на определении параметров теплового излучения объекта без нарушения его температурного поля. Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, возбуждаемое тепловым движением атомов и молекул в твердых, жидких и газообразных веществах. При температурах выше 4000 К излучение вызывается процессами диссоциации и ионизации,

Теория пирометрических методов измерений температуры основана на законах, устанавливающих связь между излучением абсолютно черного тела (АЧТ) и его температурой. Абсолютно черным телом называется тело, поглощающее все падающее на него излучение и соответственно способное при данной температуре излучать максимальную энергию. Хорошим приближением к АЧТ является закрытая со всех сторон полость с малым отверстием, площадь которого пренебрежимо мала по сравнению с общей поверхностью полости.

Закон Планка устанавливает связь между абсолютной температурой и спектральным распределением потока излучения (светимости) АЧТ:

где --спектральная плотность потока излучения АЧТ, т. е. энергия, излучаемая в единицу времени единицей площади поверхности излучателя, приходящаяся на единицу диапазона длин волн; C₁=2рc²h=3,741832?10^-16 Вт?м²; C₂=ch/k=0,01438786 м?К--соответственно первая и вторая постоянные излучения; с-- скорость света; h--постоянная Планка; k--постоянная Больцмана.

При малых значениях КТ можно вместо выражения (12-2) пользоваться законом Вина

Зависимость изображена на рис. 12-11.

Полная энергия, излучаемая с единицы поверхности АЧТ в единицу времени, определяется законом Стефана--Больцмана

где у=5,67032?10^-8 Вт/(м²?К⁴)-- постоянная Стефана--Больцмана.

Как видно из рис. 12-11, с увеличением температуры максимумы кривых сдвигаются в ультрафиолетовую область спектра, т. е. в сторону более коротких волн. Сдвиг максимума излучения подчиняется закону смещения Вина, установленному в виде двух зависимостей:

где А=28978?10^-7 м?К; b₁=12816?10^-9 Вт/м³?К⁵).

Разработка чувствительных приемников инфракрасного (ИК.) излучения [5] позволяет применять пирометрические методы для измерения не только высоких, но и низких температур. Приборы для измерения температур объектов по их тепловому электромагнитному излучению называются пирометрами.

В зависимости от естественной входной величины пирометры разделяются на пирометры полного излучения (радиационные пирометры), воспринимающие полную (интегральную) энергию излучения, пирометры, частичного излучения (яркостные пирометры), основанные на зависимости от температуры энергетической яркости излучения в ограниченном диапазоне длин волн, и пирометры спектрального отношения (цветовые пирометры), в которых используется зависимость от температуры отношения спектральных плотностей энергетических яркостей на двух или нескольких длинах волн.

Пирометры прямого преобразования обычно состоят из оптической системы, приемника излучения, измерительной цепи с вторичным прибором, а в ряде случаев с микропроцессорным вычислительным устройством. В пирометрах уравновешивающего преобразования, кроме того, имеется образцовый источник излучения. В зависимости от вида оптической системы, с помощью которой излучение передается на приемник излучения, пирометры разделяются на рефракторные с собирающей линзой, рефлекторные с собирающим зеркалом, световодные и комбинированные.

Пирометры полного излучения, или радиационные пирометры. Эти пирометры основаны на зависимости от температуры интегральной мощности излучения АЧТ во всем диапазоне длин волн, определяемой законом Стефана--Больцмана:

Для реального тела эта зависимость определяется выражением

где 0,04?е?1--коэффициент теплового излучения (коэффициент излучательной способности), зависящий от материала излучателя и от состояния и температуры его поверхности. Например, для стальных изделий в зависимости от появления на них окалины значение е может изменяться от 0,1 до 0,9. Пирометр, градуированный по излучению АЧТ, при измерении на реальном объекте покажет так называемую радиационную температуру Т_р, значение которой всегда меньше действительной температуры объекта Т. Радиационной температурой объекта называется такая температура АЧТ, при которой его полная мощность излучения (плотность излучения во всем диапазоне длин волн -- от л=0 до л₂=?) равна полной мощности излучения рассматриваемого объекта при температуре Т.

Связь между Т_р и Т определяется из равенства уТ_р^; =еуT⁴, откуда

Пирометры полного излучения применяются для измерения в диапазоне температур от --50 до +3500°С. Наиболее целесообразно использовать такие пирометры для измерения температуры объектов, излучательные свойства которых мало отличаются от свойств АЧТ. Этому условию удовлетворяют большинство закрытых печей и топок с малым отверстием, кожа человека, стекло, резина и др.

На рис. 12-12 приведены принципиальные схемы рефракторного и рефлекторного пирометров полного излучения с термоэлектрическим приемником излучения, выполняемым обычно в виде термобатареи. В рефракторном пирометре (рис. 12-12, а) излучение от объекта / через линзу 2 и диафрагму 3 фокусируется на горячие спаи термобатареи 4. Визирование телескопа пирометра на объект измерения осуществляется наблюдателем 5 через оптическую систему, состоящую из диафрагмы 6, окуляра 7 и дымчатого светофильтра 8. Резистор 9 из никеля, который имеет хороший тепловой контакт с корпусом пирометра, применяется для коррекции температурной погрешности.

В двухзеркальном рефлекторном пирометре (рис. 12-12, б) излучение объекта 1, пройдя через кварцевое окно 2, отражается от зеркала б и частично от обратного зеркала 3, попадает через отверстие в диафрагме 4 на термоприемник 5 и затем на окуляр 7. Узел 8 с обратным зеркалом и термоприемником может для фокусировки объекта перемещаться вдоль оси телескопа. Приемники излучения в пирометрах полного излучения должны иметь спектральную характеристику, близкую к характеристике АЧТ.

Для повышения точности пирометров полного излучения в корпусе телескопа устанавливается образцовый источник излучения в виде АЧТ, температура которого поддерживается постоянной. При помощи дифференциальной измерительной цепи сравниваются мощности излучения измеряемого объекта и АЧТ, потоки излучения которых с помощью вращающегося или колеблющегося зеркала попеременно подаются на приемник.

Разработаны различные оптические устройства, расширяющие области применения пирометров. Например, изготовляются пирометры с волоконной оптикой для измерения температуры в диапазоне 400--3000 °С. Используются световоды длиной до 10 м. Такие пирометры обеспечивают измерение температур объектов диаметром от 1 мм, а также температур в герметичных объемах. Такой канал передачи не чувствителен к помехам и изменениям параметров промежуточной среды.

Пирометры частичного излучения. Основаны на использовании зависимости от температуры мощности излучения в ограниченном диапазоне длин волн. Рабочий диапазон измерений таких пирометров от --100 до +6000 °С. Основная погрешность измерения для различных типов пирометров лежит в пределах 0,25-- 2,5%, быстродействие 0,001 --2,5 с.

Разновидностью пирометра частичного излучения является монохроматический яркостный пирометр, основанный на сравнении энергетической яркости объекта исследования с энергетической яркостью образцового излучателя в узком участке спектра излучения. В качестве образцовых излучателей обычно используются лампы накаливания с плоской вольфрамовой нитью, которые при температуре нити ниже 1500°С имеют стабильную зависимость яркости от тока накала нити.

Вследствие неполноты излучения реальных тел яркостные пирометры измеряют не действительную температуру тела Т, а так называемую яркостную температуру Т_я. Соотношение между действительной и яркостной температурами, как следует из законов излучения, определяется выражением

где е_л -- коэффициент теплового излучения для длины волны л. Большинство яркостных пирометров, работающих в видимой области спектра, снабжаются красным светофильтром, обеспечивающим эффективную длину волны, равную (0,656 ± 0,008) мкм.

В зависимости от материала излучателя и состояния его поверхности значения коэффициента теплового излучения е_л колеблются в широких пределах: 0?е_л?1. Так, при л=0,65 мкм для полированной меди он равен 0,03, для серебра 0,04--0,07, для вольфрама 0,6, для окисленного железа 0,6--0,9, для силикатных огнеупоров 0,9 и т. д.

Сравнение энергетических яркостей объекта исследования и образцового излучателя может осуществляться автоматически или визуально человеком, глаза которого очень чувствительны к слабым интенсивностям света. Широкое применение для измерения температур в диапазоне 300--6000°С получили визуальные пирометры с исчезающей нитью. В таком пирометре (рис. 12-13,а) изображение объекта 1 путем перемещения объектива 2 совмещается с плоскостью нити 3 лампы накаливания 4. Наблюдая изображения объекта и нити через светофильтр 5 и окуляр 6, наблюдатель меняет ток накала нити лампы до тех пор, пока середина накаленной нити не исчезнет на фоне изображения объекта (рис. 12-13, б).

Это свидетельствует о равенстве энергетических яркостей излучающего объекта и нити в области спектра, определяемого характеристикой пропускания красного фильтра ф(л) и спектральной характеристикой чувствительности глаза наблюдателя v(л), максимум которой для нормальных глаз соответствует длине волны л=0,555 мкм (рис. 12-14).

Зависимость между током лампы и яркостной температурой определяется путем градуировки термометра по температуре АЧТ. Шкала такого пирометра имеет резко нелинейную характеристику, поскольку яркость нити примерно пропорциональна пятой степени тока накала нити. Равномерную шкалу можно получить, если ток накала нити и, следовательно, ее температуру поддерживать постоянными, а выравнивание яркости нити и объекта осуществлять перемещением нейтрального поглотителя с переменной плотностью (оптического клина) 7 (см. рис. 12-13, а), устанавливаемого между объективом и температурной лампой. Яркостная температура в этом случае определяется по шкале отсчетного устройства, регистрирующего положение клина.

Для увеличения верхнего предела измерения пирометров применяются нейтральные поглотители с известным коэффициентом пропускания ф(л), который определяется из выражения

где л --длина волны; С₂--вторая постоянная излучения; T₁-- температура АЧТ, измеренная пирометром без поглотителя; Т₂-- температура АЧТ, измеренная при наличии поглотителя.

Сравнение яркостей производится с погрешностью примерно 1%, но обусловленная этим погрешность измерения температуры не превышает 0,1% вследствие того, что яркость тела увеличивается значительно быстрее, чем его температура.

На рис. 12-15 показана схема пирометра с автоматическим уравновешиванием, в котором яркость объекта 1 сравнивается с яркостью электрометрической лампы 2 при помощи фотоэлектрического преобразователя 5.

Излучения от объекта и лампы с помощью модулятора 4 через красный светофильтр 3 попеременно подаются на преобразователь 5. Сигнал переменного тока через усилитель 6 и фазочувствительный выпрямитель 7 регулирует ток в электрометрической лампе. Шкала прибора 8 градуируется в единицах температуры.

Пирометры спектрального отношения, или цветовые пирометры. Они показывают так называемую цветовую температуру тела Т_ц--условную температуру, при которой АЧТ имеет такое же относительное спектральное распределение энергетической яркости, что и исследуемое реальное тело с действительной температурой Т.

Показания пирометра спектрального отношения соответствуют действительной температуре, если объект является абсолютно черным или серым телом, т. е. таким телом, у которого излучательная способность для всех длин волн одинакова.

Если е зависит от длины волны, то связь между действительной и цветовой температурой определяется выражением

где и -- коэффициенты излучательной способности тела соответственно на длинах волн л₁ и л₂.

Из выражения (12-3) следует, что пирометры спектрального отношения, в отличие от пирометров полного или частичного излучения, показывают действительную температуру серых тел и их показания не зависят от излучательной способности тела до тех пор, пока =.Для многих тел не остается постоянным с изменением длины волны. У металлов уменьшается с ростом длины волны, у неметаллических тел в ряде случаев , наоборот, увеличивается. Поскольку при л₁>л₂ величина то измеренная цветовая температура, как следует из выражения (12-3), может быть больше, меньше действительной температуры или равна ей. Из этого же выражения следует, что цветовая температура Т_ц тела тем ближе к действительной температуре, чем больше разность л₂- л₁.

В целом погрешности пирометров спектрального отношения меньше, чем у пирометров полного или частичного излучения. Их показания принципиально не зависят от расстояния до объекта исследования, а также от поглощения излучения в промежуточной среде между объектом и пирометром, если .

В большинстве серийно выпускаемых пирометров модуляция излучения осуществляется при помощи механических модуляторов, приводимых в движение синхронными микродвигателями. В качестве приемников излучения применяются термобатареи (в пирометрах полного излучения), фотодиоды, фоторезисторы или пироэлектрические приемники. В некоторых приборах приемники излучения термостатированы. Большинство пирометров имеют стандартный выходной сигнал постоянного тока 0--5 мА или 4--20 мА и постоянного напряжения 0--100 мВ или 0--10 В.

Тепловидение и термография

Пирометрические методы находят все более широкое применение для получения видимого изображения и регистрации температурного поля поверхности различных объектов. Приборы для наблюдения и исследования объектов по их тепловому излучению называются тепловизорами, термографами или тепловизорными микроскопами.

Первые приборы, разработанные для ночного видения, основанные на применении электронно-оптических методов усиления и визуализации фотоэлектронов, имели спектральный диапазон чувствительности до 1,3 мкм и позволяли наблюдать распределение температур только выше 400°С.

Телевизионные приемные трубки -- видиконы с фоторезистивным слоем из пленки оксида свинца или сульфида оксида свинца чувствительны к излучению до 2 мкм. Чувствительные телекамеры, снабженные такими видиконами, дают возможность определить температурное поле при температурах выше 250°С.

Создание чувствительных приемников инфракрасного излучения, спектральная чувствительность которых простирается далеко в инфракрасную область спектра, открыло широкие возможности для развития термографии и тепловидения объектов с более низкими температурами. Применение в качестве приемников излучения пироэлектрических элементов [5] дает возможность получать видимое изображение температурного поля объектов с температурой от --20 до +2000°С.

Телевизионные приемники инфракрасного излучения, в которых видикон выполнен со сканируемой поверхностью из пироэлектрического кристалла триглицилсульфата, позволяют создавать чувствительные пироэлектрические тепловизоры, известные под названием пиротронов, пироконов или видиконов пироэлектрических, которые обеспечивают прием инфракрасного излучения вплоть до 40 мкм.

В серийно выпускаемых тепловизорах и термографах пока в основном применяются дискретные приемники инфракрасного излучения и оптико-механические системы развертки изображения при помощи вращающихся или колеблющихся зеркал или призм. Структурная схема тепловизора показана на рис. 12-16. Приемно-оптпческая система 2, управляемая сканирующей системой 3, производит обзор объекта и разлагает его изображение в ряд точек, излучение от которых воспринимается приемником излучения 1, выходной сигнал которого подается на усилитель 4. Сигналы с усилителя и устройства развертки и синхронизации 5 создают на экране электронно-лучевой трубки 6 видимое черно-белое или цветное изображение температурного поля поверхности исследуемого объекта. Обзор происходит в пределах поля зрения, определяемого углами б и в, за время ф, называемое временем кадра. В качестве приемников излучения сейчас преимущественно применяются фоторезисторы из антимонида индия, охлаждаемые жидким азотом до --196°С. Такие приемники имеют постоянную времени 1 мкс, что позволяет в зависимости от требуемого геометрического разрешения получать кадры с частотой 0,5--60 Гц. Низкая частота кадров пока ограничивает применение тепловизоров при исследовании динамики тепловых процессов и наблюдении быстродвижущихся объектов. Можно увеличить геометрическое разрешение и частоту кадров применением нескольких приемников, соединенных в строку или детекторную матрицу.

Важной характеристикой тепловизоров является их порог чувствительности -- минимально определяемая разность температур ?Т_min на поверхности АЧТ (е=1) с температурой 25°С, при которой отношение сигнала к собственным шумам тепловизора должно быть равно 1. У серийно выпускаемых тепловизоров ?Т_min=0,1...0,3°С.

Для исследования температурных полей малых объектов разработаны тепловизорные микроскопы и микрорадиометры, применяемые, например, для исследования температурного поля микросхем с целью обнаружения скрытых дефектов. В таких приборах используется микроскопная оптика с увеличением от 3 до 125. Известны микрорадиометры, имеющие пространственное разрешение 10 мкм и температурное разрешение ?T=0,06°С в диапазоне температур от --30 до +850°С.

Тепловидение и термография начинают широко применяться при геологических и климатологических исследованиях земной поверхности, в медицинской практике для диагностики, в строительстве для проверки теплоизоляции зданий, для обнаружения мест перегрева в электрических цепях и у различного рода энергетического оборудования, для измерения механических напряжений и деформации методом термоупругости.

Для температурного зондирования атмосферы применяются спутниковые радиометры, а для поисков залежей полезных ископаемых-- спектрорадиометры. Такие приборы обычно градуируются непосредственно в единицах температуры или в единицах энергетической яркости. Градуировка обычно осуществляется при помощи моделей АЧТ различных конфигурации.

Список литературы

пирометр температура тепловизорный микроскоп

1. Новицкий П. В., Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Линевег Ф. Измерение температуры в технике. М.: Металлургия, 1980.

3. Орнатский П. П. Теоретические основы информационно-измерительной техники. Киев: Вища школа, 1983.

4. Орнатский П. П. Автоматические измерения и приборы. Киев: Вища школа, 1980.

5. Температурные измерения/О. А. Геращенко, А. Н. Гордов, В. И. Лах и др. Киев: Наукова думка, 1984.

Размещено на Allbest.ru