Пирометры: Принцип работы и история развития

Введение

Тип термометра, измеряющего излучение

Пирометр, или радиационный термометр, – это тип бесконтактного термометра, используемого для измерения температуры удалённых объектов. Исторически существовали различные типы пирометров. В современном понимании, это устройство, которое определяет температуру поверхности на расстоянии, по количеству испускаемого ею теплового излучения, процесс, известный как пирометрия – разновидность радиометрии. Слово «пирометр» происходит от греческого слова, обозначающего огонь, "πῦρ" (pyr), и слова «метр», означающего измерение. Изначально термин «пирометр» использовался для обозначения устройства, способного измерять температуру объекта по его раскалённости, то есть по видимому свету, испускаемому телом, находящимся как минимум в состоянии красного каления. Инфракрасные термометры также могут измерять температуру более холодных объектов, вплоть до комнатной температуры, регистрируя их инфракрасный поток излучения. Современные пирометры доступны для широкого диапазона длин волн и обычно называются радиационными термометрами.

Принцип

Она основана на принципе, что интенсивность света, воспринимаемого наблюдателем, зависит от расстояния наблюдателя до источника и температуры удаленного источника. Современный пирометр имеет оптическую систему и детектор. Оптическая система фокусирует тепловое излучение на детекторе. Выходной сигнал детектора (температура T) связан с тепловым излучением или освещенностью объекта-мишени посредством закона Стефана — Больцмана, константы пропорциональности σ, называемой константой Стефана — Больцмана, и коэффициента излучения ε объекта: этот сигнал используется для определения температуры объекта с расстояния, без необходимости теплового контакта пирометра с объектом; большинство других термометров (например, термопары и резистивные термометры сопротивления (RTD)) помещаются в тепловой контакт с объектом и доводятся до теплового равновесия. Пирометрия газов представляет собой сложную задачу. Обычно ее решают с помощью тонкопленочной пирометрии или пирометрии сажи. Обе техники предполагают использование небольших твердых частиц, находящихся в контакте с горячими газами.

История

Термин "пирометр" был введен в 1730-х годах Питером ван Мусшенброком, более известным как изобретатель Лейденской банки. Его прибор, экземпляров которого не сохранилось, теперь можно назвать дилатометром, поскольку он измерял расширение металлического стержня. Самый ранний сохранившийся образец пирометра – пирометр Хиндли, хранящийся в Лондонском музее науки и датируемый 1752 годом, изготовленный для королевской коллекции. Пирометр был достаточно известным инструментом, что его подробно описал математик Эйлер в 1760 году. Около 1782 года гончар Джозия Веджвуд изобрел другой тип пирометра (точнее, пирометрическое устройство) для измерения температуры в своих печах. Изначально он сравнивал цвет глины, обожженной при известных температурах, но впоследствии был усовершенствован для измерения усадки кусков глины, зависящей от температуры печи (см. шкалу Веджвуда для подробностей). В более поздних моделях использовалось расширение металлической планки. В 1860-х – 1870-х годах братья Вильгельм и Вернер Сименс разработали платиновый термометр сопротивления, изначально для измерения температуры в подводных кабелях, а затем адаптировали его для измерения температуры в металлургии до 1000 °C, что дало основание называть его пирометром. Первый пирометр с исчезающей нитью был создан Л. Холборном и Ф. Курльбаумом в 1901 году. 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; прибор калибровался для определения температуры по величине тока. Температура, определяемая пирометром с исчезающей нитью и другими подобными приборами, называемыми пирометрами яркости, зависит от излучательной способности объекта. С расширением использования пирометров яркости стало очевидно, что полагаться на знание значения излучательной способности проблематично. Было установлено, что излучательная способность изменяется, часто значительно, в зависимости от шероховатости поверхности, состава и даже температуры. Для решения этих проблем был разработан двухцветный пирометр. Он основан на том факте, что закон Планка, связывающий температуру с интенсивностью излучения на отдельных длинах волн, можно решить относительно температуры, если отношение интенсивностей на двух разных длинах волн, согласно формулировке Планка, разделить. Это решение предполагает, что излучательная способность одинакова на обеих длинах волн. Для этих материалов излучательная способность не компенсируется, и измерение температуры будет неточным. Величина ошибки зависит от излучательной способности и длин волн, на которых проводятся измерения. Температура является фундаментальным параметром в работе металлургической печи. Для эффективного управления процессом необходимо надежное и непрерывное измерение температуры металла. Можно максимизировать скорость плавки, производить шлак при оптимальной температуре, минимизировать расход топлива и продлить срок службы футеровки. Термопары традиционно использовались для этой цели, но они не подходят для непрерывных измерений, поскольку плавятся и разрушаются. Солевые ванны работают при температурах до 1300 °C и используются для термической обработки. При очень высоких рабочих температурах с интенсивным теплообменом между расплавленной солью и обрабатываемой сталью точность поддерживается путем измерения температуры расплавленной соли. Большинство ошибок вызваны шлаком на поверхности, который холоднее солевой ванны. Тюйерный пирометр – оптический прибор для измерения температуры через туьеры, которые обычно используются для подачи воздуха или реагентов в печь. Паровой котел может быть оснащен пирометром для измерения температуры пара в перегревателе. Воздушный шар оснащен пирометром для измерения температуры в верхней части оболочки, чтобы предотвратить перегрев ткани. Пирометры могут быть установлены на экспериментальных газотурбинных двигателях для измерения температуры поверхности лопаток турбины. Такие пирометры могут быть соединены с тахометром для синхронизации показаний пирометра с положением отдельной лопатки турбины. Сочетание синхронизации и радиального энкодера положения позволяет инженерам определять температуру в точных точках на лопатках, проходящих мимо зонда.

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.