Оптический пирометр
Опти́ческий пиро́метр (от др.-греч. πῦρ «огонь, жар» и др.-греч. μετρέω — «измеряю») — прибор для бесконтактного дистанционного измерения температуры поверхности тел.
Оптические пирометры работают в диапазоне оптического излучения и в ИК-области спектра[1].
История создания[править]
До создания каких-либо приборов человек оценивал температуру тела либо тактильно, либо оценивая цвет тела, температура которого была ему интересна. Опыт показывал, что тело тем горячее, чем более ярким был цвет тела, от тёмно-красного (самая низкая температура) до ярко-оранжевого (самая высокая). Солнце представлялось раскалённым шаром.
По мере развития производственной необходимости возникали приборы для измерения температуры.
Джозайя Веджвуд, основатель компании Джозайя Веджвуд и Сыновья (1759), для изготовления фаянсовой посуды использовал инновационные на то время технологии, в том числе и примитивные измерители температуры. В 1783 году он был принят в члены английского Королевского научного общества.
После открытия в 1800 году британским астрономом Уильямом Гершелем инфракрасного излучения, французский физик Пьер Симон Лаплас предложил использовать его для определения температуры нагретых тел.
Открытие немецким физиком Вильгельмом Вином закона, впоследствии названного в его честь, связывающего длину волны излучения и температуру тела, испускающего его, заложило теоретическую основу для создания пирометров. Первый пирометр был создан в 1903 году шведским инженером Йозефом Свендбергом. Его пирометр представлял собой объектив, фокусирующий ИК-излучение на чувствительный в этой области спектра термоэлемент, который преобразовывал тепловую энергию в электрическую. Электрический сигнал от термоэлемента измеряли с помощью обычных приборов — вольтметра или амперметра. Первые пирометры были неудобными, инерционными и имели сравнительно низкую точность измерения температуры.
В XX веке, с появлением электроники, открытием полупроводников, изобретением лазеров пирометры стали гораздо более точными и малоинерционными приборами, позволяющими измерять температуру удалённых объектов в широком диапазоне температур[2].
Принцип действия[править]
Контактные пирометры бывают различных конструкций и работают на разных принципах; одни из самых распространённых используют термопары. Термопара представляет собой спайку двух металлов (например, хромель-алюмель, медь-железо, висмут-сурьма, медь-константан, и др.).
Принцип действия термопары основан на эффекте Зеебека (термоэлектрический эффект). На концах последовательно соединённых разнородных проводников возникает ЭДС, если контакты этих проводников находятся при разной температуре. После спаивания (сварки) двух проводников (как правило, в виде проволок) возникает разность потенциалов на их концах. Если один из спаев поместить в лёд, жидкий азот или другую среду с известной температурой, можно отградуировать показания возникающей термо-ЭДС и получить значения температуры измеряемой среды, поскольку коэффициент термо-ЭДС пропорционален разности температур спая-зонда и опорного спая, находящегося при фиксированной, строго выдерживаемой постоянной температуре. При этом контакт-зонд помещается в среду, температуру которой измеряют, или приводится в плотный контакт с её поверхностью. Недостатками такого метода является инерционность, недостаточная точность, необходимость введения поправок, эффект антенны и существенная нелинейность измерений[3].
Бесконтактные пирометры, в частности, болометры, основаны на измерении изменений электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие нагревания под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии. Они также инерционны, но лишены многих недостатков контактных пирометров.
Первыми бесконтактными пирометрами были приборы, основанные на том же принципе оценки цвета измеряемого тела, что и человеческий глаз. Схема работы такого бесконтактного пирометра проста: имеется нить накала (либо тонкая полоска металла), через которую пропускается ток. Согласно закону Джоуля — Ленца нить нагревается, раскаляется и начинает излучать электромагнитные волны в видимом диапазоне спектра. С помощью простой оптической схемы, состоящей из окуляра, объектива и находящейся между ними нити накаливания, человек наблюдает за нитью накала на фоне нагретого тела. Когда температуры нити и измеряемого тела совпадут, человеческий глаз перестаёт видеть нить накала, она «сливается» с изображением нагретого тела.
Если проградуировать нить накала, то есть найти точное соответствие (аппаратную функцию) между током, пропускаемым через нить, и её температурой, можно сопоставлять цвет нити накала и измеряемого тела. Человеческий глаз имеет очень высокую цветовую чувствительность, поэтому данный метод был, на протяжении длительного времени, самым точным методом дистанционного бесконтактного измерения температуры. Недостатком этих пирометров был недостаточно широкий интервал температур, которые они измеряли.
Современные оптические пирометры делятся на инфракрасные и волоконно-оптические.
Принцип действия оптического пирометра состоит в преобразовании амплитуды электромагнитного излучения, попадающего на его чувствительный элемент, в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности этого излучения. Цифровой или аналоговый электронный блок, в который поступает этот сигнал, представляет его в удобной для пользователя форме — в виде цифр на дисплее или индикаторе; в некоторых конструкциях результаты измерений передаются в компьютерную базу данных дополнительно в виде файла данных .
Инфракрасные оптические пирометры измеряют интенсивность ИК-излучения, испускаемого нагретыми телами. Эти приборы позволяют измерять и контролировать температуру и её перепады для измеряемых тел, в частности, промышленных объектов, деталей машин, в металлургии и др., а также объекты, находящиеся под электрическим напряжением. Измерительными датчиками в таких приборах могут быть высокочувствительные термопары или полупроводники. Измерять можно не только излучение от нагретого тела напрямую, но и отражённое от зеркальной поверхности излучение, что удобно, если температура нагретого тела очень высока (более 1000 °С). При этом учитывается погрешность, связанная с отражающими свойствами материала, путём компенсации её коэффициентом эмиссии. Время измерений колеблется от долей секунды (0,15 с) до нескольких секунд. Часто для этих типов пирометров используют название радиометры, если они измеряют интенсивность не только инфракрасной, но и видимой областей спектра излучения. Точность измерений часто увеличивают, применяя в радиационных пирометрах лазер.
Конструкции пирометров[править]
Оптические бесконтактные пирометры разделяют на фиксированные и переменные в зависимости от коэффициента излучения, по способу наведения на объект измерений — лазерные и пирометры с оптическим прицелом.
По характеру использования оптические пирометры разделяют на стационарные и портативные (мобильные).
В зависимости от диапазона использования оптические пирометры делятся на:
- Высокотемпературные (диапазон измеряемых температур от 400 ºС и выше);
- Низкотемпературные (диапазон измеряемых температур от — 50 ºС).
Волоконно-оптические пирометры используются для измерения температуры материалов в местах и обстоятельствах, когда доступ к измеряемому объекту затруднён. Обычно используется в случаях скрытых от прямого измерения объектах (например, внутренних полостях нагретых тел, деталей машин, и т. д.), а также местах, нахождение в которых может принести вред человеку (в частности, сильных электрических и магнитных полях).
В комплектацию оптических пирометров могут входить дополнительные элементы, такие как объективы, насадки, линзы, фильтры и др.
Применение[править]
Оптические пирометры применяются в металлургической промышленности, различных производствах, транспорте, машиностроении, медицине, позволяют измерять температуру оборудования, механизмов, твёрдых или сыпучих веществ, проводит измерения в труднодоступных местах.
Примечания[править]
- ↑ Гордов А. Н. Основы пирометрии. — 2-е изд. — М.: Металлургия, 1971.
- ↑ DeWitt D. P., Nutter G. D. Theory and practice of radiation thermometry. — Wiley and Sons, Inc.. — N. Y., 1988.
- ↑ Свет Д. Я. Оптические методы измерения истинных температур. — М.: Наука, 1982.
Литература[править]
- Апенко М. И. Дубовик А. С. Прикладная оптика. — М. : Наука, 1982.
- Бутиков Е. И. Оптика : учебное пособие для вузов. — СПб. : БХВ-Петербург : Невский ДиалектЪ, 2003.
- Заказнов Н. П. Кирюшин С. И., Кузичев В. И. Теория оптических систем : учебное пособие для студентов вузов. — СПб., : Лань, 2008.
- Запрягаева Л. А. Прикладная оптика. Ч. 1. Введение в теорию оптических систем. — М. : Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъёмки и картографии, 2017.
- Ландсберг Г. С. Оптика : учебное пособие для вузов. — М. : Физматлит, 2003.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика. — М. : Физматлит, 2014.
- Краткий словарь физических терминов / Сост. А. И. Болсун, рец. М. А. Ельяшевич. — Мн.: Вышэйшая школа, 1979. — С. 43. — 416 с. — 30 000 экз.
- Петрушевский Ф. Ф. Болометр // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890−1907.
Ссылки[править]
 | Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Оптический пирометр», расположенная по адресу:
Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?». |
|---|