Шпаргалки к экзаменам и зачётам

Бесконтактные методы и средства измерения температуры.

Считается, что контактные средства измерения температуры (термометры, термопары) точнее, но на практике много случаев, когда они неприменимы, тогда используются бесконтактные методы измерения температуры. Например, измерение температуры металлургических процессов, измерение температуры в электрических контактах выключателей в электроэнергетике, в линиях электропередачи, в медицине, измерение температуры в буксов.

Бесконтактные методы измерения температуры основаны на использовании законов теплового излучения. Существуют два основных средства дистанционного измерения температуры:

1) оптические пирометры, которые измеряют температуру точки по его тепловому излучению;

2) тепловизоры, которые являются по сути измерительными приборами и измеряют температуру объекта на основании расшифровки термограмм-картин распределения температуры по поверхности объекта или тела.

Сейчас существуют тепловизоры, которые позволяют получать термограммы объектов как фотографическое изображение на экране приборов. Эти приборы очень дорогие. Цена грамма их массы превышает цену 1 грамма золота.

Тепловизоры и приборы ночного видения основаны на законах теплового излучения и принцип действия их аналогичен.

Действие бесконтактных измерителей температуры основано на использовании законов теплового излучения. Известно, что любое тело при температуре Т выше 0 К, то есть выше температуры абсолютного нуля (-273°С), имеет тепловое излучение. Это означает, что вследствие тепловых колебаний атомов и молекул тело испускает энергию теплового излучения. Причем, с ростом температуры эта энергия возрастает. В основе теплового излучения тел лежат законы теплового излучения.

W_λ=c₁λ^-5{exp[c₂/λT]-1}^-1; (1)

W_T=π∫W_λdλ=σT⁴. (2)

Энергия теплового излучения W_λ, испускающаяся абсолютно черным телом при температуре, выражается формулой Планка (формула 1).

На рисунке показана зависимость энергии от длины волны λ при различных температурах тела. Из рисунка видно, что по мере повышения температуры энергия излучения увеличивается, а длина волны λ_м (максимальная), при которой излучение максимальное, уменьшается. Суммарная энергия излучения (вт*м²) определяется путем интегрирования выражения по формуле Планка (1) по всем длинам волн.

Закон Стефана-Больцмана (формула 2) показывает связь между энергией излучения и температуры.

Из формул (1) и (2) на фиксированной длине волны λ_м или в диапазоне волн можно определить температуру. Однако, энергия излучения любого тела зависит от типа вещества и состояния поверхности тел. Поэтому для отличия этой энергии абсолютно черного тела (АЧТ) вводят коэффициент ε, характеризующий излучательную способность.

Например, для полированной поверхности алюминия ε=0.06, а для полированной поверхности стекла ε=0.95. Чтобы уменьшить погрешность измерения, возникающую из-за неравенства ε=1 в реальном теле, обычно пользуются методом двух цветов.

При этом измеряют интенсивность излучения на двух длинах волн, входящих в спектр излучения и по их соотношению определяют температуру.

Закон смещения Вина:

λ_mT=const=c, где λ_m=c/T.