Научная литература
booksshare.net -> Добавить материал -> Физика -> Козлов В.Л. -> "Оптоэлектронные датчики " -> 16

Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.

Козлов В.Л. Оптоэлектронные датчики — Радиофизика , 2005. — 116 c.
Скачать (прямая ссылка): optoelektronniedatchiki2005.pdf
Предыдущая << 1 .. 10 11 12 13 14 15 < 16 > 17 18 19 20 21 22 .. 47 >> Следующая

Бесконтактные методы измерения температуры основаны на принципах оптической пирометрии, заключающихся в использовании соотношений, существующих между температурой объекта и оптическим излучением (инфракрасным или видимым), которое этим объектом испускается [2,6]. Датчики, воспринимающие это излучение, являются, следовательно, оптическими датчиками, фотоэлектрическими или тепловыми. Преимуществом оптической пирометрии является то, что она позволяет определить температуру объекта без контакта с ним. Таким образом, методы оптической пирометрии являются особенно эффективными, когда условия эксперимента не позволяют использовать классические термометрические датчики. К таким условиям относятся:
- высокие температуры (>2000 оС) и измерения на большом расстоянии;
- очень агрессивная окружающая среда (химическая промышленность);
- материалы, плохо проводящие тепло (пластмассы, стекла, дерево);
- движущиеся тела (например, листовой материал в прокатном стане),
- объекты, находящиеся под высоким напряжением.
Физические принципы. Все тела спонтанно испускают электромагнитное излучение, распределение энергии в спектре которого есть функция температуры. Излучение является следствием вызванных тепловым возбуждением радиационных переходов в атомах и молекулах. Фундаментальный закон теплового излучения Планка определяет спектральную плотность энергетической светимости источника, являющегося абсолютно черным телом, в функции длины волны X и абсолютной температуры
ЛЕКЦИЯ 6
6.1. Бесконтактные методы измерения температуры
(52)
где c1 = 2nhc2 и c2 = hc / k; h=6,6261-10-34 Вт с2 - постоянная Планка;
с=2,998 108 м с-1 - скорость света; ?=1,38066-10-23 Вт с К-1 - постоянная Больцмана; величины c1 и с2 в системе СИ равны c1= 3,7405 10-16 Вт м2,
44
-2
c2=1,4388-10 м К. В прикладных задачах спектральную плотность энергетической светимости часто выражают в ваттах на квадратный сантиметр и микрометр длины волны (Вт/см -мкм); в этом случае c1 и c2, численно равны c1 =3,7405 10-4 и c2=14388.
На рис. 21 представлена зависимость спектральной плотности энергетической светимости от длины волны для различных температур. В часто встречающемся на практике случае, когда c2 ? XT, закон Планка
(53)
можно записать в виде: E^n (X,T) = —5exp(—c2 /XT)
H
m
н
<<
w
10,0
0,1
0,01
•T=2000 K T=1500K T=1000 K T=600 K T=500K \T=400 K
10
12 14
0 2 4 6 8
X, мкм
Рис.21. Спектральная плотность энергетической светимости черного тела при различных температурах в функции длины волны.
ная плотность энергетической светимости на длине волны Xm пературе Т выражается формулой: EX.n (Xmax,T) = 1,286 '10"
2
здесь EX n выражена в Вт/см -мкм.
Закон Стефана - Больцмана получается интегрированием закона Планка и дает величину интегральной энергетической светимости источника с абсолютной температурой Т:
Закон смещения Вина, который выводится путем взятия производной от формулы закона Планка, дает длину волны Xmax,
соответствующую максимуму спектральной плотности энергетической светимости источника с данной абсолютной температурой Т:
Xmax [мкм] = 2898/T [К]. Максимальная спектраль-max при тем-
(54)
Ч—15 _ T5
LXJ
E (T ) = J Ex , ,,dX = cT4
(55)
-8
где c - постоянная Стефана - Больцмана, численно равна c=5,67 10 Вт
-2 -4
м" -К . Установлено, что более 90% полной энергии излучается в диапазоне между X max/2 и 5 X max.
Эти законы показывают (табл. 5), что с повышением температуры быстро увеличивается энергетическая светимость и происходит сдвиг спектра излучения в сторону коротких длин волн. Заметим, что при тем-
1
45
пературах ниже 500°С тепловое излучение почти полностью приходится на инфракрасную область спектра, а когда источником является Солнце (T =5500 К), X max соответствует максимуму чувствительности глаза.
Таблица 5.
Зависимость теплового излучения от температуры источника.
Т, °С -200 -100 0 100 200 500 1000 2000 4000 5000
Еп Вт/см2 0,16 •10-3 -3 ^ О 5 •1 0, 3 109 •10-3 284 •10-3 2,02 14,9 150,8 1871 5183
X max ’ мкм 39,7 16,7 10,6 7.76 6,13 3,75 2,27 1,27 0,68 0,53
Тепловое излучение реальных тел. Спектральная плотность энергетической светимости реального объекта Ех, связана с аналогичной характеристикой излучения черного тела соотношением:
Ex (T) = s (X,T) Ex ,„ (T), (56)
где e(X,T) - коэффициент излучения на длине волны X при температуре Т
материала, из которого состоит объект.
Коэффициент излучения тела равен его коэффициенту поглощения (закон Кирхгофа): величина коэффициента излучения, равная единице для черного тела, меньше единицы для реального тела и зависит, в частности, от его природы и от состояния его поверхности.
Когда коэффициент излучения не зависит от X, тело называют «серым», и закон Стефана - Больцмана для тел этого типа записывается в
виде: Е (T ) = е (T )aT 4. (57)
Незнание точного значения е (X, T) - главный источник потенциальных
погрешностей в оптической пирометрии.
Поглощение теплового излучения. На своем пути между излучающим объектом и приемником излучение ослабляется, причем ослабление зависит от природы среды и ее толщины, т. е. от расстояния, преодолеваемого в ней излучением. Ослабление в атмосфере обусловлено парами воды, углекислым газом и озоном; эти составляющие атмосферы имеют полосы поглощения в инфракрасной области спектра. Спектральные участки, в которых поглощение минимально, называются «окнами», и это наиболее благоприятные для измерений диапазоны: окно в ближней инфракрасной области 0,75 - 2,7 мкм; окно в средней инфракрасной области 3 -5 мкм; окно в дальней инфракрасной области 7 -14 мкм. Оптические элементы, связанные с оптическим пирометром (прозрачные окна, отражающие и преломляющие элементы), также обусловливают определенное поглощение излучения, которое можно уменьшить, выбирая со-
Предыдущая << 1 .. 10 11 12 13 14 15 < 16 > 17 18 19 20 21 22 .. 47 >> Следующая

Реклама

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed

Есть, чем поделиться? Отправьте
материал
нам
Авторские права © 2009 BooksShare.
Все права защищены.
Rambler's Top100

c1c0fc952cf0704ad12d6af2ad3bf47e03017fed