УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ СЕРЫХ ТЕЛ

Полезная модель относится к области высокотемпературных измерений тел по характеристикам их теплового излучения.
λ
3
В качестве прототипа выбрано устройство для дистанционного измерения высоких температур на основе пирометров: яркостных - монохроматического излучения, радиационных - полного излучения и цветовых - спектрального отношения интенсивностей излучения при двух различных длинах волн [1, 2]. Действие этих приборов основано на различных подходах к использованию основного закона теплового излучения - закона М.Планка, согласно которому, спектральная интенсивность излучения J (Вт/м) на длине волны λ (м) при температуре Т (К) составляет
1
2
λ
λ
λ
-15
2
-2
где C=0,374·10 Вт·м; С=1,438·10; ε - степень черноты контролируемого тела (для абсолютно черного тела ε=1 на всех длинах волн, для реальных тел ε<1).
я
1
λ
p
2
Названные выше пирометры позволяют измерить соответственно следующие разновидности «псевдотемператур»: а) яркостную температуру Т=f(J); б) радиационную температуру Т=f(Е), где Е - излучательная способность тела
0
0
-8
2
К4
где σ=5,67·10 Вт/(м·) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; ε - полная, или интегральная степень черноты (для абсолютно черного тела ε=ε=1, для реальных тел ε<1);
ц
3
λ1
λ2
1
2
в) цветовую температуру Т=f(J/J) как отношение интенсивностей излучения при двух различных длинах волн λ и λ.
Недостатком данного технического решения является то, что для рассмотренных пирометров излучения характерно излучение абсолютно черного тела (стандартного излучателя). У действительных тел степень черноты отличается от степени черноты абсолютно черного тела, что приводит к погрешностям измерений. Именно поэтому, за рассматриваемыми температурами закрепилось название "псевдотемператур", не претендующих на точность, а скорее служащих мерой изменения температуры в ходе контролируемого технологического процесса.
Однако, если контролируемое тело является серым - с независимой от длины волны степенью черноты, то цветовые пирометры позволяют измерять температуру достаточно точно - согласно своему классу точности. Однако цветовые пирометры сложны по устройству, дороги и требуют весьма квалифицированного обслуживания. Что же касается яркостных и радиационных пирометров, то они отличаются простотой устройства и намного дешевле цветовых, но им присуща значительная дополнительная методическая погрешность, оценить которую можно из следующих формул, вытекающих из закона М. Планка:
В подавляющем большинстве случаев в металлургии и литейном производстве имеют дело с серыми телами, каковыми оказываются: окисленные металлические поверхности в твердом и жидком состояниях;
λ
оксиды различных элементов; шлаки; огнеупорные материалы. Поэтому, в формулах (3) и (4) значения ε и ε идентичны, при этом всегда имеет место соотношение:
я
р
Например, из формулы (3) следует, что при Т=1923 К (1650°С) и ε=0,85 получаем Т - 1896 К (1623°С), а из формулы (4) Т=1846 К (1573°С).
Целью полезной модели является повышение точности измерения температуры в системах контроля и автоматического управления технологическими процессами металлургического, литейного, химического и других производств, вследствие чего повышается качество выпускаемой продукции.
Для достижения поставленной цели, в устройство для измерения температуры и степени черноты серых тел, включающее контролируемое тело и измерительный прибор, дополнительно введены микропроцессор и регистрирующий прибор, в качестве измерительного прибора применен блок пирометров, содержащий радиационный и яркостный пирометры.
Сущность полезной модели поясняется фигурой 1:
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемой полезной модели, где: 1 - контролируемое (серое) тело; 2 - блок яркостного и радиационного пирометров; 3 - микропроцессорный блок; 4 - регистрирующий прибор, показывающий или регистрирующий результаты измерения температуры и степени черноты контролируемого тела.
Принцип работы:
Температура измеряется одновременно двумя пирометрами: яркостным и радиационным, а результаты измерений подвергаются специальной математической обработке. Сущность последней заключается в том, что уравнения (3) и (4) рассматриваются как система двух уравнений с двумя неизвестными: действительной температурой Т и степенью черноты контролируемого тела ε.
Преимуществом рассматриваемой полезной модели является возможность непосредственного измерения степени черноты различных тел. До сих пор степень черноты различных тел непосредственно не измерялась, ее значения принимались по справочным данным, лишь как ориентировочные, поскольку она зависит и от самой температуры, и от химического состава вещества тела.
Литература
1. Измерения в промышленности: справочник / под ред. П.Профоса (перев. с нем). - М.: Металлургия, 1980, стр.436;
2. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справочник / под общ. ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982., стр.349-351.