Фпциента излучательной ср.особности п,ч показания различных типов пирометров носят общий характер. Значения коэф4)ициентов излучательной способности различных материалов приведены в табл. 13.2 и 13.3.

Погрешность пирометра, обусловленная е. Зависимость между яркостной температурой объекта 5 измеренной пирометром, и его действительной температурой Т определяется уравнением (13.10) прн Т> температура окружающей среды или стенок). Поправка, готорую необходимо п; нбавлять к измеренной 1>на;!и.монохроматнческпм ниромегром яркостн.он тсмнературе {:ST) для по.;уч;!,гл денств1ггельно;1 температуры объекта, определяется выражением

АТ = --(13.15)

Т (Т окр окр

8=0,05

где Л = -

[ - AT in е. При известных

Рис. 13.5. Кривые поправок на коэффициент излучательной способности (X = 0,65 мкм)

можно найти коэффициент А и 1юправку к яркостной температуре (рис, 13.5, табл. 13.4).

При точном измерении действительных температур раскаленных объектов методами яркостной пирометрии вводимая в показания оптического пирометра поправка не отличается высокой достоверностью. Поэтому в случае промышленных измерений температу; ы объектов с относительной погрешностью м -нее 0,1 иссбходнмт знать коэффициенты излучательной способности объектов.

Для тел, имеющих большой разброс значений коэффициента излучательной способности, последний необходимо корректировать значениями, определенными при повторных измерениях (например, при помощи ПТ).

Таблица 13.4. Поправка к яркостной температуре на коэффициент излучательной способности (А Т = Т - 5), К

Если в объекте измерения высверлить в некого; ы\ местах цилиндрические полости, то в этих местах объект является черным излучателем. Измеряя температуру в полостях, а затем на нетронутой поверхности, определяют 5, Г, 80,65- А.

Погрешность пирометра, обусловленная интегральным коэффициентом излучательной способности Bj-. Зависимость температурой объекта Тр, измеренной пирометром,

температурой Т при Т :> Т

между радиационной и его действительной

Г 8j.

, выражается уравнением

Поправка, которую необходимо прибавить к измеренной пирометром полного излучения радиационной температуре для получения действительной температуры объекта, определяется выражением

(13.16)

AT = Т-Тр = Т{1 - е ).

В основном коэффициент излучательной способности зависит от температуры и длины волны. Поэтому полный коэффициент излучательной способности Ej- определяют из уравнения

M,dk

Если у данного объекта люнохроматнческнй коэффициент излучательной способности для разных длин волн практически одинаков, то он равен полному коэффициенту излучательной способности, т. е. Cfj- = e-j. При калибровке пирометра полного излучения по черному телу и известной действительной температуре объекта измерения 8- = (Тр/Т)*.

Погрешность пирометра, обусловленная коэффициентом частичной излучательной способности е. Зависимость между действительной температурой Т, температурой частичного излучения Т, н коэффициентом излучательной способности 8ц нельзя выразить формулами из-за изменчивости диапазона длин волн и распределения спектральной чувствительности пирометра частичного излучения от Kg до К- Коэффициент излучательной способности определяется интегрированием уравнения в рабочем диапазоне длин волн данного пирометра.

Для пирометра частичного излучения можно найти зависимость между Т, Гц и Сц, если известна характеристика сигнала U = f {Т) н его величина пропорциональна мощности измеряемого излучения. Последнее условие справедливо для пирометров с термоэлектрическими и фотоэлект-ритескими приемниками излучения. По известной зависимости температурил от сигнала пирометра находят сигнал Uj- для черного тела и -игнал t/q для объекта. Зависимость радиационной и частичной температур от действительной температуры для пирометров полного и частичного излучения определяется экспериментально с помощью нейтрального ослабления мощности излучения черного тела (как* в случае квазимонохроматических пирометров). Если зависимости Г = / (Гр) и Г = / (Г,) представить в виде зависимостей Ej и от действительной и измеренной температур, то можно определить коэффициент излучательной способности, или при из-ратуру* измеренной температуре определить действительную темпе-

Значение температуры частнч ого излучения находится между радиа-циоиной и яркостной температурами. В зависимости от расположения и ширины спектрального участка пирометр частичного излучения является либо пирометром полного излучания, либо квазимонохроматиче.ким пирометром.

Погрешность пирометра, обусловленная отношением коэффициентов излучательной способности е /е . Зависимость между измеренной пиро-метрод! цветовой температурой объекта Тс н его действительной темпера-ту ой Т определяется из уравнения (13.14):

1 IJ. 1 El

к, - >.1 С,

Поправка, которую необходимо прибавлять к измеренно! пироме1ром цветовой температуре для получения действительной температуры, определяется выражением

\Т-Т - Г (13- 17)

Если измерение производится в двух различных диапазонах длин волн, то отношение е/е находят из уравнения (13.3). При известных уравнения (13.17) определяют погрешность измерения.

Погрешности, обусловленные коэффициентами излучательной способности пирометров различных типов. Согласно данным табл. 13.2 без учета поправки на коэффициент излучательной способности при промышленных измерениях температуры допускаемая методическая погрешность составляет примерно 0,5...1,5 % *. Разброс значений температуры, измеренной различными пирометрами, приведен в табл. 13.5.

Квазимоиохроматический пирометр с эффективной длиной волны 0,65 мкм (см. табл. 13.5) можно применять без учета поправок только при степени черноты объекта больше 0,9, что практически не всегда выполняется. Для справедливости указанного условия необходимо создание или наличие у объекта полостей, приближающих величину его излучения к излучению черного тела.

В квазимонохроматическом пирометре, созданном на основе инфракрасного излучения (Л = 2,5 мкм), а также в пирометре полно10 излучения необходимо, чтобы > 0,9. Без учета поправки эти пирометры пригодны-только для сравнительно грубых измерений. Коэффициент излучательной способности материалов в инфракрасной области уменьшается с увеличением длины волны, за исключением многих оксидов, у которых ои возрастает.

Поправки для пирометров полного излучения, определяемые экспериментально, часто несколько меньше поправок, рассчитанных по формулам (13.15) - (13.17), так как в пирометрах полного излучения никогда не используется весь спектр (от нуля до бесконечносги). При этом в инфракрасном участке спектра отсекается больше энергии, чем в ультрафиолетовом. В результате используемая пирометром энергия возрастает с увеличением температуры быстрее, чем возрастает полная интегральная энергия, что вызывает значительное снижение погрешностей. Это относится, в первую очередь, к пирометрам полного излучения, предназначеиным для измерения высоких температур. В них используется сравнительно большая энергия коротковолнового излучения, поэтому допустимо применение стек-

* В технологических процессах, малочувствительных к колебаниям температуры, допустима несколько большая погрешность (например, в доменном производстве); в других случаях (например, при выращивании монокристаллов) предъявляются более жесткие требования к точности измерения.

лянных объективов, поглощающих значительную часть инфракрасного излучения. Таким образом, указанные пирометры близки по своим свойствам к коротковолновым квазимоиохроматический пирометрам.

В пирометрах полного излучения с более широкой спектральной характеристикой, снабженных, например, кварцевым (или флюоритовым) объективом, ** последний действует почти так же, как стеклянный объектив в пирометрах, предназначенных для измерения высоких температур. Таким образом, указанные пирометры также близки по своим свойствам к коротковолновым монохроматическим пирометрам.

Таблица 13.5. Расхождение между температурой, измеренной пирометрами различного действия, и действительной температурой тела

Примечание. В скобках указаны значения, при которых применение пирометров допустимо, но ие рекомендовано.

Если квазимонохроматический пирометр работает в более коротковолновом участке спектра, то его методические погрешности снижаются. Поскольку коэффициент излучательной способности бол-.,шннства материалов повышается с уменьшением длины волны, методическая погреш-ябсть уменьшается в два - пять раз по сравнению с красной областью при использовании синей или ближней ультрафиолетовой части спектра. В этом случае применение квазимонохроматического- пирометра реально только для измерения достаточно высоких температур (порядка 1200 °С).

Пирометры спектрального отношения, использующие видимую или ближнюю инфракрасную часть участка спектра (см. табл. 13.5), соответствуют средним требованиям по точности при е > 0,97.

** Такие объективы применяются в основном для измерения более низких температур, когда вследствие закона смещения излучение тела существенно смещено в инфракрасную область спектра.

Методические погрешиости пирометров снижаются при измерении более низких температур. Однако при атом обычно повышаются требова-Fшя к точности измерения и, кроме того, возникают затруднения из-за малой энергии, излучаемой телом. Поэтому пирометры, действие которых ограничено видимой частью спектра, нельзя применять для измерения температур ниже 1000 К- Пирометры, действие которых ограничено диапазоном инфракрасного излучения, имеют определенные перспективы для измерения низких температур и малопригодны для измерения высоких температур (см. табл. 13.5).

Погрешиости в некоторых частных случаях пирометрии. В некоторых случаях технологический процесс связывают не с действительными температурами, а с показаниями пирометров. Такая связь практикуется на пирометрах всех рассмотренных типов, при этом в показаниях пирометров поправки не вводятся.

Основными факторами, влияющими на степень черноты, являются окисление и загрязнение поверхностн излучающего тела, колебания состава материала, доля примесей, crenesib шероховатости поверхностн и т. п. В результате получается несоответствие между колебаниями температуры тела и колебаниями показаний пирометра, что приводит к переменной методической погрешности.

Если характерный размер шероховатости меньше длин волн излучения, на которых работает пирометр, то не требуются дополнительные поправки на шероховатость. Поверхность может рассматриваться как гладкая. Если характерный размер гаероховгтости заметно превышает рабочие длины волн излучения, то увеличивается степень черноты. При этом шероховатость обусловливает уменьшение отражательной способности в среднем на 20%. В этом случае степень черноты определяется по формуле е, = 0,2 -f 0,8е,. где Гщ - степень черноты шероховатой поверхности; Ej.jj - то же для гладкой поверхности.

Из анализа поправок для квазимонохроматических пирометров и пирометров полного излучения следует, что применительно к промышленным измерениям температуры погрешность, связанная с коэффициентом излучательной способности, не должна превышать 5... 10 %. Однако нестабильность этих коэффициентов, зависящих от условий конкретного технологического процесса, вносит значительное затруднение в получение точных результатов измерения.

Пирометры спектрального отношения удовлетворяют более высоким требованиям относительно точности определения коэффициентов излучательной способности. При Этом поправки обычно определяют непосредственно на объекте. С этой целью иногда проводят эксперименты, при которых измерение цветовой температуры излучающего объекта подтверждается одновременным измерением его действительной температуры при помощи термоэлектрического термометра, упрощенной модели черного тела или другим способом.

Для получения надежных поправок необходимо предварительное изучение спектральной характеристики излучения объекта. Это позволит выбрать оптимальный для данного объекта спектральный участок, в котором поправки для пирометраспектрального отношения окажутся минимальными. Следует не только выбирать оптимальные эффективные длины волн, при которых отношение е/е близко к единице и стабильно, но и учитывать используемые пирометром спектрального отношения конечные спектральные участки и неизбежные их изменения в отдельных образцах пирометров.

Погрешности, обусловленные поглощением среды. Погрешность пирометра, обусловленная поглощением излучения в промежуточной среде, является однозначной функцией интенсивности поглощения: i. 3 = =- L (1 - а) = Lx, где L - яркость тела; а - коэффициент поглощения

в среде. Подставляя в эту формулу вместо I значение яркости, определенное по формулам Вина и Стефана - Больцмана, получаем выражение для определения погрешности квазимонохроматического пирометра AS, пирометра полного излучения АТр и пирометра спектрального отношения АТс, вызываемые поглощением излучения в промежуточной среде:

АТс = Ti

АТр = Тр

2 - К

(13.18)

Зависимость погрешностей пирометров от температуры при 20%-ном поглощении в промежуточной среде указана в табл. 13.6. Погрешности пирометров спектрального отношения рассчитаны для случая, когда в одном

Таблица 13.6. Погрешности пирометров при 20 %-ном поглощении энергии излучения средой, К

из используемых пирометром спектральном участке поглощение отсутствует, а в другом оно составляет 20 %, т. е. для случая резко селективного поглощения. Если поглощение неселективное (а = а), то оно, как следует из формулы (13.18), совершенно не влияет иа показания пирометра спектрального отношения, так как не изменяет измеряемое прибором отношение яркостей.

В промышленных условиях из-за запыленности и задььмленности помещения, в котором находится раскаленное тело, а также из-за наличия, паров воды коэффициент поглощения может значительно превышать 20 % и, следовательно, могут возрастать погрешности измерения. В таких условиях поглощение, как правило, непрерывно изменяется, так как концентрация пыли, дыма и паров воды не остается постоянной, поэтому введение поправок обычно не достигает цели. Иногда удается устранить влияниз загрязнений среды иа точность измерения температуры, применяя отдув сжатым воздухом. В некоторых конструкциях пирометров, рабэтающих вJ}фpaкpacиoй части спектра, для уменьшения влияния промежуточной среды иа показания пирометра применяются светопроводы из стекла, кварца или сапфира. Приемный торец светопровода, размещают в непосредственной близости к объекту.

При измерении температуры деталей в герметичных печах приходится проводить измерение сквозь смотровое стекло. Ослабляющее действие смотрового стекла - пирометрическое ослабление А - для квазимонохроматического пирометра определяется по формуле А = 1/Го - 1/Г. Поправка А практически не зависит от измеряемой температуры, так как эффективная длина волны квазимонохроматического пирометра незначительно изменяется с изменением измеряемой температуры, поэтому ею можно