Бесконтактные методы измерения температуры

Все тела с температурой выше абсолютного нуля излучают электромагнитные волны с непрерывным спектром во всём диапазоне длин волн. Фиксируя это излучение можно определить температуру тела, а также распределение температуры по его поверхности.

Теория идеального объекта, названного «абсолютно чёрное тело» и создающего максимальную теоретически возможную при данной температуре мощность излучения, была создана Максом Планком в 1900;м году. В соответствии с ней спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется формулой:

(1).

где: u — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в единичном интервале длин волн на единицу телесного угла [Дж· с?1·м?3·ср?1];

л — длина волны [м];

T — абсолютная температура излучающей поверхности [К];

h — постоянная Планка, равная 6,626· 10−34 Дж· c;

с — скорость света в вакууме, равная 299 792 458 м/с;

k — постоянная Больцмана, равная 1,381· 10−23 Дж/К;

e — основание натурального логарифма, примерно равное 2,718.

Любая реальная поверхность всегда излучает меньше, чем поверхность идеально чёрного тела. Отношение мощности излучения единицы поверхности данного тела к мощности излучения единицы поверхности абсолютно чёрного тела называют коэффициентом излучения. Коэффициент излучения реальных тел в большинстве случаев находится в диапазоне от 0,02 до 0,98 и меняется в зависимости от участка спектра и температуры. Непостоянство коэффициента излучения реальных объектов составляет одну из основных проблем бесконтактных измерений температуры.

Для определения распределения температуры, а не температуры в одной точке или усреднённо по всей поверхности, используют объектив, прозрачный в рабочем участке спектра, и матрицу чувствительных к электромагнитному излучению датчиков. Объектив фокусирует собственное тепловое излучение исследуемого объекта на матрице, создавая на ней изображение этого объекта.

Важным вопросом является то, от каких факторов, кроме температуры и материала исследуемого объекта, зависит энергия излучения, поглощённая элементом матрицы.

Такими факторами в общем случае являются:

• · микроструктура поверхности;
• · загрязнения поверхности;
• · отражение поверхностью излучения других объектов;
• · всевозможные преграды на пути от объекта к прибору (сетчатые электроды, окна, слой воздуха);
• · настройки объектива;
• · настройки самой матрицы;
• · специально устанавливаемые светофильтры;
• · взаимное расположение объекта и прибора.

Для получения достоверных данных о температуре поверхности необходима оценка влияния каждого из этих факторов. Каждый из них может оказаться как пренебрежимо малым, так и решающим в данном конкретном случае.