Пирометр , или радиационный термометр , — это тип дистанционного термометра, используемый для измерения температуры удаленных объектов. Исторически существовали различные формы пирометров . В современном использовании это устройство, которое на расстоянии определяет температуру поверхности по количеству испускаемого ею теплового излучения , процесс, известный как пирометрия , тип радиометрии .
Слово пирометр происходит от греческого слова «огонь», «πῦρ» ( pyr ), и «метр» , что означает измерять. Слово пирометр изначально было придумано для обозначения устройства, способного измерять температуру объекта по его накалу , видимому свету, испускаемому телом, которое раскалено по крайней мере докрасна. [1] Инфракрасные термометры также могут измерять температуру более холодных объектов, вплоть до комнатной температуры, путем обнаружения потока их инфракрасного излучения. Современные пирометры доступны для широкого диапазона длин волн и обычно называются радиационными термометрами . [2]
Он основан на принципе, что интенсивность света, принимаемого наблюдателем, зависит от расстояния наблюдателя от источника и температуры удаленного источника. Современный пирометр имеет оптическую систему и детектор. Оптическая система фокусирует тепловое излучение на детектор. Выходной сигнал детектора (температура T ) связан с тепловым излучением или освещенностью целевого объекта через закон Стефана-Больцмана , коэффициент пропорциональности σ, называемый постоянной Стефана-Больцмана , и излучательной способностью ε объекта:
Этот выходной сигнал используется для определения температуры объекта на расстоянии, при этом пирометру не требуется находиться в тепловом контакте с объектом; большинство других термометров (например, термопары и резистивные датчики температуры (RTD)) находятся в тепловом контакте с объектом и достигают теплового равновесия .
Пирометрия газов представляет трудности. Чаще всего их преодолевают с помощью тонконитевой пирометрии или сажевой пирометрии. Оба метода предполагают контакт небольших твердых частиц с горячими газами. [ необходима цитата ]
Термин «пирометр» был придуман в 1730-х годах Питером ван Мушенбруком , более известным как изобретатель лейденской банки . Его устройство, о котором не сохранилось ни одного образца, теперь можно назвать дилатометром, поскольку оно измеряло расширение металлического стержня. [3]
Самый ранний пример пирометра, который, как считается, существовал, — это пирометр Хиндли, хранящийся в Лондонском музее науки , датируемый 1752 годом, изготовленный для Королевской коллекции. Пирометр был достаточно известным инструментом, и его довольно подробно описал математик Эйлер в 1760 году. [4]
Около 1782 года гончар Джозайя Веджвуд изобрел другой тип пирометра (или, скорее, пирометрического прибора ) для измерения температуры в своих печах, [5] который сначала сравнивал цвет глины, обожженной при известных температурах, но в конечном итоге был усовершенствован для измерения усадки кусков глины, которая зависела от температуры печи ( подробности см. в шкале Веджвуда ). [6] Более поздние примеры использовали расширение металлического стержня. [7]
В 1860–1870-х годах братья Вильгельм и Вернер Сименсы разработали платиновый термометр сопротивления , первоначально предназначенный для измерения температуры в подводных кабелях, но затем адаптированный для измерения температур в металлургии до 1000 °C, поэтому он и получил название пирометра.
Около 1890 года Анри Луи Ле Шателье разработал термоэлектрический пирометр. [8]
Первый пирометр с исчезающей нитью был построен Л. Холборном и Ф. Курлбаумом в 1901 году. [9] Это устройство имело тонкую электрическую нить между глазом наблюдателя и раскаленным объектом. Ток через нить регулировался до тех пор, пока она не становилась того же цвета (и, следовательно, температуры), что и объект, и больше не была видна; она была откалибрована, чтобы позволить выводить температуру из тока. [10]
Температура, возвращаемая пирометром с исчезающей нитью и другими подобными приборами, называемыми пирометрами яркости, зависит от излучательной способности объекта. С более широким использованием пирометров яркости стало очевидно, что существуют проблемы с опорой на знание значения излучательной способности. Было обнаружено, что излучательная способность меняется, часто радикально, в зависимости от шероховатости поверхности, объема и состава поверхности и даже самой температуры. [11]
Чтобы обойти эти трудности, был разработан пирометр отношения или двухцветный пирометр. Они полагаются на тот факт, что закон Планка , который связывает температуру с интенсивностью излучения, испускаемого на отдельных длинах волн, может быть решен для температуры, если разделить утверждение Планка об интенсивностях на двух разных длинах волн. Это решение предполагает, что излучательная способность одинакова на обеих длинах волн [10] и сокращается при делении. Это известно как предположение серого тела . Пирометры отношения по сути являются двумя пирометрами яркости в одном приборе. Принципы работы пирометров отношения были разработаны в 1920-х и 1930-х годах, и они поступили в продажу в 1939 году. [9]
Когда пирометр отношения стал популярным, было установлено, что многие материалы, примером которых являются металлы, не имеют одинаковой излучательной способности на двух длинах волн. [12] Для этих материалов излучательная способность не компенсируется, и измерение температуры является ошибочным. Величина ошибки зависит от излучательной способности и длины волны, на которой проводятся измерения. [10] Двухцветные пирометры отношения не могут измерить, зависит ли излучательная способность материала от длины волны.
Для более точного измерения температуры реальных объектов с неизвестной или изменяющейся излучательной способностью в Национальном институте стандартов и технологий США были разработаны и описаны в 1992 году многоволновые пирометры. [9] Многоволновые пирометры используют три или более длины волн и математическую обработку результатов, чтобы попытаться достичь точного измерения температуры, даже если излучательная способность неизвестна, изменяется или отличается в зависимости от длины волны измерения. [10] [11] [12]
Пирометры особенно подходят для измерения движущихся объектов или любых поверхностей, к которым невозможно добраться или которых нельзя коснуться. Современные многоспектральные пирометры подходят для измерения высоких температур внутри камер сгорания газотурбинных двигателей с высокой точностью. [13]
Температура является основополагающим параметром в работе металлургической печи . Надежное и непрерывное измерение температуры металла необходимо для эффективного управления работой. Скорость плавки может быть максимизирована, шлак может быть получен при оптимальной температуре, расход топлива может быть минимизирован, а срок службы огнеупора может быть также продлен. Термопары были традиционными устройствами, используемыми для этой цели, но они не подходят для непрерывного измерения, поскольку они плавятся и разрушаются.
Печи с соляной ванной работают при температурах до 1300 °C и используются для термообработки . При очень высоких рабочих температурах с интенсивным теплообменом между расплавленной солью и обрабатываемой сталью точность поддерживается путем измерения температуры расплавленной соли. Большинство ошибок вызвано шлаком на поверхности, которая холоднее, чем соляная ванна. [14]
Фурменный пирометр — оптический прибор для измерения температуры через фурмы , которые обычно используются для подачи воздуха или реагентов в ванну печи.
Паровой котел может быть оборудован пирометром для измерения температуры пара в пароперегревателе .
Воздушный шар оснащен пирометром для измерения температуры в верхней части оболочки с целью предотвращения перегрева ткани.
Пирометры могут быть установлены на экспериментальных газотурбинных двигателях для измерения температуры поверхности лопаток турбины. Такие пирометры могут быть сопряжены с тахометром, чтобы связать выход пирометра с положением отдельной лопатки турбины . Синхронизация в сочетании с радиальным позиционным кодером позволяет инженерам определять температуру в точных точках на лопатках, движущихся мимо зонда.
Исторически термин «пирометр» использовался широко. В настоящее время более распространен термин «радиационный термометр».
Дрейпер, Джон Уильям.
