Оптическая пирометрия Ш Тепловым излучением называют равновесное электромагнитное

Оптическая пирометрия Ш Тепловым излучением называют равновесное электромагнитное излучение, возбуждаемое тепловым движением заряженных частиц в твердых телах, жидкостях, газах или плазме. ь Тепловое излучение нагретого тела несет в себе информацию о температуре этого тела. ь Информация о температуре объекта содержится в величине мощности теплового излучения и распределения этой мощности по различным длинам волн (спектральном распределении) Спектральный максимум мощности теплового излучения для различных температур ь Комнатная температура (300 К) - средний ИК макс 10 мкм ь Жидкий металл (1800 К) - ближний ИК макс 2, 0 мкм ь Поверхность солнца (6500 К) - видимый (зеленый) макс 0, 55 мкм Ш Оптическая пирометрия есть совокупность методов и технических средств бесконтактного измерения температуры, основанных на связи между температурой нагретого тела и энергетическими и спектральными характеристиками его теплового излучения. 1

Законы теплового излучения Для любого непрозрачного тела сумма отраженного и поглощенного излучения постоянна, т. е. сумма коэффицента отражения ( , Т) и поглощения ( , Т) равна 1: ( , Т)+ ( , Т)=1 Абсолютно черным телом называется физический объект, для которого коэффициент поглощения электромагнитных волн равен единице, независимо от длины волны этого излучения. Абсолютно черное тело (АЧТ) есть нагретое тело, находящееся в полном термодинамическом равновесии с окружающей средой D d Закон Кирхгофа: для любого нагретого тела, которое находится в состоянии термодинамического равновесия и имеет температуру Т выполняется соотношение: М 0( , Т) и М( , Т) плотности мощности теплового излучения АЧТ и реального тела Ш равновесных условиях отношение мощности излучения, поглощаемой В нагретым телом, к мощности собственного теплового излучения этого тела, зависит только от температуры тела, но не от его природы. Ш Для любого объекта плотность спектральной мощности излучения на данной длине волны и при данной температуре Т всегда меньше, чем плотность спектральной мощности АЧТ. 2

Законы теплового излучения Формула Планка - зависимость спектрального распределения мощности теплового излучения от длины волны излучения и температуры объекта C 1 = 3, 7418 10 -16 Вт/м 2 С 2 = 1, 436 10 -2 м К СЛЕДСТВИЯ: Закон Стефана-Больцмана Определяет полную (интегральную) мощность теплового излучения: = const = 5, 67 10 -8 Вт/(м 2 К) Закон смещения Вина - положение максимума планковских кривых МАКС·Т = const = 2897, 8 мкм K Формула Вина используется в области коротких длин волн и не очень высоких температурах Т <<3000 мкм К Закон Рэлея-Джинса – большие длины волн и низкие температуры Т >> 3000 мкм К Характер спектра излучения АЧТ – (Планковские кривые) зависит только от температуры 3

Тепловое излучение реальных тел Отличие теплового излучения реальных тел от АЧТ описывается величиной их излучательной способности ( , Т) <1. Излучательная способность ( , Т ) - физическая величина, которая характеризует тепловое излучение реального тела, равна его поглощательной способности и определяет степень отличия реального объекта от АЧТ ( , Т) = ( , Т ) для АЧТ: ( , Т) = ( , Т ) =1 Из закона Кирхгофа следует 4

Излучательная способность ( , Т) есть физическая величина, равная отношению величин интенсивности теплового излучения на данной длине волны реального тела и АЧТ, которое находится при той же температуре Т, что и реальное. ь Монохроматическая излучательная способность, ь Интегральная излучательная способность ь Для абсолютно черного тела ь «Серое тело» при всех длинах волн ь «Частично серое тело» только при = 1 - 2 ( I, T) =0 - (Т), ( , Т) = const = 1. ( , Т) = сonst < 1 ( , Т) = const < 1 0, Значение ( , Т) зависит Ш только от рода материала, но и от состояния поверхности и вида ее не механической обработки, тела, от условий окружающей среды и др. Ш только от текущего состояния их поверхности, но и от всей истории не возникновения этого состояния. Величина излучательной способности реальных тел не может быть получена расчетным путем на основе использования каких-либо физических законов или моделей. Поэтому: значение температуры реального тела, измеренное по его тепловому излучении, всегда отличается от истинного 5

Излучательная способность металлов ( )) 8 7 0, 8 6 5 4 3 0, 4 2 1 1 2 3 4 Характер изменения излучательной способности металлов в процессе окисления поверхности. 1> 2> 3> 4 6

Излучательная способность материалов Окисленный металл Чистый металл Вода (. . х100) ( , Т) 1, 0 Огнеупоры, шлаки, природные минералы 0, 5 Длина волны, мкм 1, 0 5, 0 10, 0 Типовые спектральные зависимости излучательной способности для различных ( , Т)=1 видов материалов Т Характер изменения величины излучательной способности металлов при их нагреве 7

Условные пирометрические температуры • Яркостная температура (ТS) – определяется по абсолютной интенсивности теплового излучения на данной длине волны. • Температура спектрального отношения (TR) - определяется по относительной интенсивности теплового излучения на двух длинах волн • Температура полного излучения (TE ) - определяется по величине полной (интегральной) мощности теплового излучения во всем спектре • Температура частичного излучения (TP) определяется по величине мощности в заданном диапазоне длин волн > 0 8

Схема оптического пирометра ( , Т) ( ) Блок обработки 1 – входное окно; пирометрических 2 – фокусирующий объектив; сигналов 3 – спектральный селектор, Оптоэлектронны 4 – фотоприемники с предусилителями й блок К( , Т) 5 – пилотное излучение или окуляр. Ui М( , Т) теплов ое Сигнал фотоприемника излучен пирометра в бесконечно малом ие спектральном диапазоне объекта (пирометрический сигнал) 3 1 ( ) 2 ( ) 5 4 ( ) Планковская кривая 2 К( , ) – спектральный коэффициент передачи пирометра (аппаратная функция пирометра), определяется при калибровке. Калибровка пирометра – получение зависимости U 0( , T) при эталонном источнике теплового излучения(АЧТ) 1 0 макс 9

Яркостная температура, яркостные пирометры. Яркостные пирометры измеряют температуры по величине абсолютной мощности теплового излучения в узком спектральном диапазоне Яркостной температурой Тя называется условная температура АЧТ, при которой в узком спектральном диапазоне длин волн яркость его теплового излучения равна яркости излучения реального объекта при его действительной температуре Т. Монохроматические яркостные пирометры – измерение температуры по мощности теплового излучения в очень узком спектральном интервале ( <10 нм) В монохроматических яркостных пирометрах принято использовать стандартную длину волны, равную 0, 65 мкм Яркостные пирометры частичного излучения - измерение температуры по мощности теплового излучения в достаточно широком спектральном интервале ( 20 -100 нм) 10

Яркостные пирометры Из определения и формулы Вина следует: Разность между истинной и яркостной температурами Погрешность определения температуры объекта яркостным методом Яркостная температура всегда ниже истинной Область применения - высокие температуры (короткие длины волн) 11

Визуальный яркостный пирометр сравнения. Рабочая длина волны – 0, 65 мкм Диапазон измеряемых температур – 800 – 3000 С 12

Температура спектрального отношения Определение температуры объекта по отношению мощности его теплового излучения на двух длинах волн Эквивалентная длина волны пирометра Температурой спектрального отношения ТR называют температуру АЧТ, при которой отношение значений плотности мощности теплового излучения, измеренных в двух узких спектральных диапазонах равно отношению этих же величин для реального объекта при его действительной температуре Температура спектрального отношения и цветовая температура Преимущества метода: ØДля серых тел величина ( , Т) не влияет на точность измерений ØОтсутствует зависимость величины погрешности от точности соблюдения геометрии установки пирометра по отношению к объекту при калибровке и измерениях ØСлабая зависимость показаний от изменений пропускания промежуточной среды (при отсутствии селективного поглощения): 13

Пирометры спектрального отношения Из определения и формулы Вина: 1 = 670 нм, 2 = 810 нм Разность между истинной температурой и температурой спектрального отношения: методическая погрешность Температура спектрального отношения может быть ниже истинной и выше истинной температуры объекта 14

Пирометры полного излучения (энергетические, радиационные пирометры) Пирометры полного излучения – пирометры, определяющие температуру объекта по величине мощности теплового излучения в широком интервале длин волн Спектральный диапазон спектра ограничивается типом фотоприемника и типом оптики пирометра – пирометр частичного излучения Зеркальные пирометры с болометрическими фотоприемниками ближнего и среднего ИК-диапазонов Погрешность входное окно Сферическое зеркало фотоприемник пирометрический сигнал Невысокие температуры (< 600 C) Диэлектрики, природные материалы Окисленные металлы 15

Температура полного излучения ТЕ есть температура АЧТ, при которой полная (интегральная) плотность мощности его теплового излучения М 0(ТЕ) равна интегральной плотности мощности излучения реального объекта М(Т) при его действительной температуре Т. Согласно определению и закону Стефана-Больцмана Для реального тела <1 и температура полного излучения всегда меньше истинной. Для большинства диэлектриков >0, 8 в инфракрасном диапазоне при малых температурах (Т< 500 K) разность между истинной температурой и температурой полного излучения сравнительно не велика. 16

Схема пирометрических измерений Внешние тела и фоновое излучение Iф( ) Объек т Измерительный прибор (оптический пирометр) М( , Т) Т S Промежуточная среда ( ) U = q·M( , T) Пирометрический сигнал U( , , Т) Температура объекта Погрешность определения температуры 17

Учет величины излучательной способности при пирометрических измерениях В аналоговых приборах возможности автоматического введения поправок на величины излучательной способности поверхности реального объекта крайне ограничены. В микропроцессорных приборах используются два основных способа: 1. Ручной ввод излучательной способности и автоматическое вычисление поправки к соответствующей температуре 2. Выбор типа материала объекта из предлагаемого списка. Соответствующее значение излучательной способности хранится в памяти прибора 3. Указанные методы не позволяют отслеживать динамические изменения величины ( , T). Такой учет может осуществляться только с использованием специальный методов: 4. Одновременное измерение температуры и коэффициента отражения поверхности R( , T) на пирометрической длине волны. R( , T) = 1 - ( , T) 5. Использование различных приближенных аппроксимирующих формул и алгоритмов вычисления выражения зависимости ( , T) = F( , T) Пирометры, реализующие эти принципы пока очень дороги и в производственной практике практически не применяются 18

Классификация пирометров По методу определения температуры • • • Радиационные пирометры (полного излучения, энергетические пирометры, инфракрасные пирометры) Яркостные пирометры Яркостные визуальные пирометры Пирометры спектрального отношения (цветовые пирометры) Многоспектральные пирометры • • Пирометры видимого диапазона Инфракрасные пирометры По спектральному диапазону По типу приемника излучения • Пирометры болометрического типа • Пирометры с кремниевыми фотодиодами • Пирометры с германиевыми фотодиодами Другие типы приемников По конструктивному исполнению • • • Стационарные приборы Переносные и портативные приборы Пирометрические головки Оптоволоконные пирометры По наличию визуализации области контроля 19

Показатель визирования есть характеристика оптического пирометра, определяющая размер площадки на поверхности объекта, с которой тепловое излучение регистрируется пирометром и минимальное рабочее расстояние между объектом и пирометром D 2 R F 2 H 2 h И L П a О Если расстояние между пирометром и объектом L >> F – фокусного расстояния объектива пирометра, то площадка, с которой тепловое излучение попадает на приемник будет равна: q - показатель визирования пирометра. Для большинства пирометров показатель визирования равен 50 -100 20

Особенности применения пирометров Обычно не учитывают: ь Пространственную и временную неоднородность Т ь Пространственную и временную неоднородность ( , Т) ь Поглощение в промежуточной среде ( ) 21

ТЕПЛОВИДЕНИЕ Получения и анализ пространственного распределения поля теплового излучения объекта в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах с целью. диагностики, мониторинга и неразрушающего контроля. Ш Научные исследования Ш Медицина Ш Энергетика Ш Металлургия Ш Строительство Ш Коммунальное хозяйство Матричные фотоприемные устройства на основе фотодиодных КМОП структур и пироэлектрических элементов Тепловизоры приборы для получения и анализа ИКизображения объекта Медицинская диагностика Ближний ИК – 1 -3 мкм Т >500 С Средний ИК 3 -5 мкм Т= 20 – 1000 С 7 -11 мкм Т= -20 – 300 С 22

Тепловидение в строительстве и коммунальном хозяйстве Тепловизионное обследование зданий и сооружений. – контроль теплозащиты ограждающих конструкций зданий и сооружений. - скрытые дефектов теплозащиты, -места с повышенными теплопотерями. - состояние кровли, - трассировка скрытых коммуникаций - поиск протечек, - проверка работы системы отопления 23

Тепловидение в электроэнергетике Контроль контактов ЛЭП Контроль состояния предохранителей Контроль выделяющейся мощности в проводниках Контроль состояния контактов в распределительном щите 24

Тепловидение в металлургии Распределение температур по своду мартеновской печи и фотография свода Распределение температур по поверхности стальковша – максимальная температура в области шлакового пояса, там, где износ футеровки идет максимально быстро. 25

Тепловидение в промышленности Определение уровня жидкостей в резервуарах. Нагрев шкива Нагрев вала электродвигателя 26

27

28

29

30

31