Пирометр: қашықтықтан температураны өлшеу құралы. Термальды сәулеленуді пайдаланып, беткей температурасын анықтайды. Қызып тұрған денелерді өлшеуге арналған.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сәулеленуді сезетін термометр түрі
Type of thermometer sensing radiation
Пирометр немесе сәулелену термометрі – қашықтықтан температураны өлшеуге қолданылатын термометрдің бір түрі. Пирометрлердің әртүрлі түрлері тарихи тұрғыдан белгілі болған. Қазіргі қолданыста, бұл – дененің шығаратын жылулық сәулелену мөлшері арқылы бетінің температурасын қашықтықтан анықтайтын құрылғы, бұл процесс пирометрия деп аталады, ол радиометрияның бір түрі. Пирометр сөзі грек тіліндегі "πῦρ" (пир) – от және метр – өлшеу деген сөздерден шыққан. Пирометр сөзі бастапқыда қызған денеден шығатын жарық арқылы заттың температурасын өлшейтін құрылғыны білдіру үшін қолданылған. Инфрақызыл термометрлер бөлме температурасына дейін салқын денелердің температурасын олардың инфрақызыл сәуле ағынын анықтау арқылы өлшеуге мүмкіндік береді. Қазіргі заманғы пирометрлер кең толқын ұзындығы диапазонында қол жетімді және көбінесе сәулелену термометрлері деп аталады.
A pyrometer, or radiation thermometer, is a type of remote sensing thermometer used to measure the temperature of distant objects. Various forms of pyrometers have historically existed. In the modern usage, it is a device that from a distance determines the temperature of a surface from the amount of the thermal radiation it emits, a process known as pyrometry, a type of radiometry. The word pyrometer comes from the Greek word for fire, "πῦρ" (pyr), and meter, meaning to measure. The word pyrometer was originally coined to denote a device capable of measuring the temperature of an object by its incandescence, visible light emitted by a body which is at least red hot. Infrared thermometers, can also measure the temperature of cooler objects, down to room temperature, by detecting their infrared radiation flux. Modern pyrometers are available for a wide range of wavelengths and are generally called radiation thermometers.
Принцип
Ол бақылаушының көзден алыстауына және алыс көздің температурасына байланысты жарық интенсивтілігінің принципіне негізделген. Қазіргі заманғы пирометрде оптикалық жүйе мен детектор болады. Оптикалық жүйе жылу сәулесін детекторға шоғырландырады. Детектордың шығыс сигналы (температура T) мақсатты нысанның жылулық сәулеленуімен немесе сәулелену тығыздығымен Стефан-Болцман заңы, пропорционалдық тұрақты σ, Стефан-Болцман тұрақтысы және нысанның ε эмиссивтігі арқылы байланысты:
It is based on the principle that the intensity of light received by the observer depends upon the distance of the observer from the source and the temperature of the distant source. A modern pyrometer has an optical system and a detector. The optical system focuses the thermal radiation onto the detector. The output signal of the detector (temperature T) is related to the thermal radiation or irradiance of the target object through the Stefan–Boltzmann law, the constant of proportionality σ, called the Stefan–Boltzmann constant and the emissivity ε of the object:
Бұл шығыс нысанның температурасын алыстан анықтау үшін қолданылады, пирометрдің нысанмен жылулық байланыста болуы қажет емес; көптеген басқа термометрлер (мысалы, терможұптар және кедергілік температура детекторы (RTD)) нысанмен жылулық байланысқа түсіріліп, жылулық тепе-теңдікке жетуіне рұқсат етіледі. Газдардың пирометриясы қиындықтар тудырады. Мұндай қиындықтар көбінесе жіңішке жіп пирометриясы немесе күйе пирометриясы арқылы еңсеріледі. Екі техника да ыстық газдармен жанасқан ұсақ қатты заттарды қолданады.
This output is used to infer the object's temperature from a distance, with no need for the pyrometer to be in thermal contact with the object; most other thermometers (e. g. thermocouples and resistance temperature detectors (RTDs)) are placed in thermal contact with the object and allowed to reach thermal equilibrium. Pyrometry of gases presents difficulties. These are most commonly overcome by using thin filament pyrometry or soot pyrometry. Both techniques involve small solids in contact with hot gases.
Тарих
"Пирометр" термині 1730 жылдары Лейден банкасын ойлап тапқан Питер ван Мусшенбрукпен байланысты пайда болды. Оның құрылғысының бірде-бір мысалы сақталмаған. Пирометрдің ең ерте мысалы Лондондық Ғылым мұражайындағы Хиндли пирометрі болып саналады, ол 1752 жылы Корольдік коллекция үшін жасалған. Пирометр 1760 жылы математик Эйлер егжей-тегжейлі сипаттаған, жеткілікті танымал құрал болды. 1782 жылы гончар Жозия Веджвуд пештердегі температураны өлшеу үшін пирометрдің басқа түрін (немесе пирометрлік құрылғыны) ойлап тапты, ол бастапқыда белгілі температурада күйдірілген саздың түсін салыстырды, бірақ кейін саздың ықшамдалуын өлшеуге жаңартылды, ол пеш температурасына байланысты болды (толық мәліметтер үшін Веджвуд шкаласын қараңыз). Кейінгі үлгілерде металл таяқшаның кеңеюі қолданылды. 1860-1870 жылдары Вильям және Вернер Сименс ағайындары платиналық кедергі термометрін жасады, бастапқыда теңіз асты кабельдеріндегі температураны өлшеу үшін, бірақ кейін металлургияда 1000 °C дейін температураны өлшеуге бейімделді, сондықтан пирометр аталымын алды. Бірінші жоғалып бара жатқан жіп пирометрін Л. Холборн мен Ф. Курльбаум 1901 жылы жасады. Бұл құрылғыда бақылаушының көзі мен жарқыраған нысан арасында жұқа электр жібі орналасқан. Жіп арқылы өтетін ток нысанның түсімен (демек, температурасымен) сәйкес келгенше реттелді, содан кейін ол көрінбейтін болды; температураны ток бойынша анықтау үшін калибрленді. Жоғалып бара жатқан жіп пирометрі және оның басқа да түрлері, яғни жарқылық пирометрлері, нысанның сәулелену қасиетіне байланысты температураны көрсетеді. Жарқылық пирометрлерді кеңінен қолданумен бірге, сәулелену қасиеті туралы білімге сенудегі мәселелер анықталды. Сәулелену қасиеті бетінің тегіссіздігіне, көлеміне және құрамына, тіпті температураның өзіне байланысты өзгеруі мүмкін. Осы қиындықтарды еңсеру үшін екі түсті пирометр жасалды. Олар Планк заңына сүйенеді, ол температураны жеке толқын ұзындығындағы сәулелену қарқындылығымен байланыстырады, және егер Планктың екі түрлі толқын ұзындығындағы қарқындылық туралы мәлімдемесі бөлінсе, температураны есептеуге болады. Бұл шешім екі толқын ұзындығында да сәулелену қасиеті бірдей деп есептейді. Егер материалдардың сәулелену қасиеті бірдей болмаса, температураны өлшеу қате болады. Қате мөлшері сәулелену қасиетіне және өлшеу жүргізілген толқын ұзындығына байланысты. Температура металлургиялық пештердегі маңызды параметр болып табылады. Операцияны тиімді басқару үшін металл температурасын сенімді және үздіксіз өлшеу қажет. Балқыту жылдамдығын арттыруға, шлакты оңтайлы температурада өндіруге, отын тұтынуын азайтуға және отқа төзімді материалдардың қызмет ету мерзімін ұзартуға болады. Терможұптар бұл мақсатта қолданылатын дәстүрлі құралдар болды, бірақ олар үздіксіз өлшеуге жарамсыз, себебі олар еріп, бұзылады. Тұз ваннасы пештері 1300 °C дейін температурада жұмыс істейді және жылумен өңдеу үшін қолданылады. Өте жоғары температурада, балқытылған тұз бен өңделетін болат арасындағы қарқынды жылу алмасу кезінде балқытылған тұздың температурасын өлшеу арқылы дәлдік сақталады. Көптеген қателер тұз ваннасының бетіндегі салқын шлактан туындайды. Тюер пирометрі - пеш ваннасына ауа немесе реагенттерді беруге арналған туерлер арқылы температураны өлшеуге арналған оптикалық құрал. Бу қазанындағы бу температурасын өлшеу үшін пирометр орнатылуы мүмкін. Ыстық ауа шарында матаның қызып кетуіне жол бермеу үшін қаптаманың жоғарғы жағындағы температураны өлшеу үшін пирометрмен жабдықталған. Эксперименттік газ турбиналық қозғалтқыштарда турбина қанаттарының беткі температурасын өлшеу үшін пирометрлер орнатылуы мүмкін. Мұндай пирометрлерді тахометрмен жұптастыруға болады, пирометрдің шығысын жеке турбина қанатының орнымен байланыстыруға болады. Уақытты радиалды кодтау жүйесімен үйлестіру инженерлерге зондтан өткен кездегі қанаттардың температурасын анықтауға мүмкіндік береді.
The term "pyrometer" was coined in the 1730s by Pieter van Musschenbroek, better known as the inventor of the Leyden jar. His device, of which no surviving specimens are known, may be now called a dilatometer because it measured the dilation of a metal rod. The earliest example of a pyrometer thought to be in existence is the Hindley Pyrometer held by the London Science Museum, dating from 1752, produced for the Royal collection. The pyrometer was a well known enough instrument that it was described in some detail by the mathematician Euler in 1760. Around 1782 potter Josiah Wedgwood invented a different type of pyrometer (or rather a pyrometric device) to measure the temperature in his kilns, which first compared the color of clay fired at known temperatures, but was eventually upgraded to measuring the shrinkage of pieces of clay, which depended on kiln temperature (see Wedgwood scale for details). Later examples used the expansion of a metal bar. In 1860s–1870s brothers William and Werner Siemens developed a platinum resistance thermometer, initially to measure temperature in undersea cables, but then adapted for measuring temperatures in metallurgy up to 1000 °C, hence deserving a name of a pyrometer. The first disappearing filament pyrometer was built by L. Holborn and F. Kurlbaum in 1901. This device had a thin electrical filament between an observer's eye and an incandescent object. The current through the filament was adjusted until it was of the same colour (and hence temperature) as the object, and no longer visible; it was calibrated to allow temperature to be inferred from the current. The temperature returned by the vanishing filament pyrometer and others of its kind, called brightness pyrometers, is dependent on the emissivity of the object. With greater use of brightness pyrometers, it became obvious that problems existed with relying on knowledge of the value of emissivity. Emissivity was found to change, often drastically, with surface roughness, bulk and surface composition, and even the temperature itself. To get around these difficulties, the ratio or two color pyrometer was developed. They rely on the fact that Planck's law, which relates temperature to the intensity of radiation emitted at individual wavelengths, can be solved for temperature if Planck's statement of the intensities at two different wavelengths is divided. This solution assumes that the emissivity is the same at both wavelengths For these materials, the emissivity does not cancel out, and the temperature measurement is in error. The amount of error depends on the emissivities and the wavelengths where the measurements are taken. Temperature is a fundamental parameter in metallurgical furnace operations. Reliable and continuous measurement of the metal temperature is essential for effective control of the operation. Smelting rates can be maximized, slag can be produced at the optimal temperature, fuel consumption is minimized and refractory life may also be lengthened. Thermocouples were the traditional devices used for this purpose, but they are unsuitable for continuous measurement because they melt and degrade. Salt bath furnaces operate at temperatures up to 1300 °C and are used for heat treatment. At very high working temperatures with intense heat transfer between the molten salt and the steel being treated, precision is maintained by measuring the temperature of the molten salt. Most errors are caused by slag on the surface, which is cooler than the salt bath. The tuyère pyrometer is an optical instrument for temperature measurement through the tuyeres, which are normally used for feeding air or reactants into the bath of the furnace. A steam boiler may be fitted with a pyrometer to measure the steam temperature in the superheater. A hot air balloon is equipped with a pyrometer for measuring the temperature at the top of the envelope in order to prevent overheating of the fabric. Pyrometers may be fitted to experimental gas turbine engines to measure the surface temperature of turbine blades. Such pyrometers can be paired with a tachometer to tie the pyrometer output with the position of an individual turbine blade. Timing combined with a radial position encoder allows engineers to determine the temperature at exact points on blades moving past the probe.