Краткий экскурс в историю создания пирометров

Магазин Gtest® предлагает широкую номенклатуру пирометров. Ссылка на соответствующую страничку сайта Магазина приводится в самом конце настоящего Раздела. Кроме того, приводится перечень рекомендуемых приборов + статьи для дальнейшего самообразования в этой области

Пирометр — это тип термометра, используемый для измерения высоких температур. Исторически существовали различные формы пирометров. В современном использовании это бесконтактное устройство, которое улавливает и измеряет тепловое излучение, процесс, известный как пирометрия. Тепловое излучение может использоваться для определения температуры поверхности объекта.

Слово пирометр происходит от греческого слова «огонь», «πυρ» (pyro), и «метр», что означает измерять. Слово пирометр изначально было придумано для обозначения устройства, способного измерять температуру объекта по его накалу или свету, который испускается телом из-за его высокой температуры

Вы можете почувствовать огонь на некотором расстоянии, потому что он испускает тепловое излучение во всех направлениях. Теоретически, если огонь ведет себя точно в соответствии с законами физики, то производимое им излучение связано с его температурой весьма предсказуемым образом. Поэтому, если вы можете измерить излучение, вы можете точно измерить температуру, даже если вы стоите на некотором расстоянии. Именно на этой теории основан пирометр: очень точный термометр, который измеряет температуру объекта по тепловому излучению, которое он испускает. 

ИСТОРИЯ ПИРОМЕТРА

Современные пирометры стали доступны, когда в 1901 году Л. Холборн и Ф. Курлбаум построили первый пирометр с т.н. исчезающей нитью. Это устройство накладывало тонкую нагретую нить на измеряемый объект и измерения базировались на глазок оператора, чтобы обнаружить, когда нить исчезала. Затем температура объекта считывалась со шкалы на пирометре. Температура, отображаемая пирометром с исчезающей нитью и другими его типами, называемыми пирометрами яркости, зависит от излучательной способности объекта. С более широким использованием пирометров яркости стало очевидно, что существуют проблемы с опорой на знание значения излучательной способности. 

Было обнаружено, что излучательная способность меняется, часто радикально, в зависимости от шероховатости поверхности, объема и состава поверхности и даже самой температуры. Чтобы обойти эти трудности, был разработан пирометр отношения или двухцветный пирометр. Принимается во внимание на тот факт, что закон Планка, который связывает температуру с интенсивностью излучения, испускаемого на отдельных длинах волн, может быть решен для температуры, при условии, если утверждение Планка об интенсивностях на двух разных длинах волн разделить. Это решение предполагает, что излучательная способность одинакова на обеих длинах волн и сокращается при делении. 

Это известно как предположение серого тела. Пирометры, по сути, являются двумя измерителями яркости в одном приборе. 

Принципы работы пирометров были разработаны в 1920-х и 1930-х годах, и они стали коммерчески доступны в 1939 году. Когда пирометр стал популярным в использовании, было установлено, что многие материалы, примером которых являются металлы, не имеют одинаковой излучательной способности на двух длинах волн. Для этих материалов излучательная способность не сокращается, и измерение температуры является ошибочным. Величина ошибки зависит от излучательной способности и длин волн, на которых проводятся измерения. 

Пирометры с двухцветным отношением не могут определить, зависит ли излучательная способность материала от длины волны.

ТИПЫ ПИРОМЕТРОВ

1. Широкополосный пирометр

Широкополосный пирометр — один из наиболее часто используемых учеными пирометров. Широкополосный пирометр регистрирует широкополосные длины волн излучения, обычно около 0,3 микрон. Хотя они используются чаще всего, они могут иметь большие погрешности в показаниях. Поскольку они регистрируют лишь небольшое количество тепла от объекта, всё, от водяного пара до пыли, может создавать ошибку показаний.

Оптические пирометры

Хотя все пирометры являются оптическими в том смысле, что они могут считывать тепло объекта на расстоянии, оптический пирометр позволяет учёному видеть тепло. Оптический пирометр измеряет инфракрасные длины волн тепла и напрямую показывает пользователю распределение тепла объекта. Другие пирометры обычно имеют экран, который предоставляет результаты оптического сканирования.

Оптический пирометр похож на телескоп, в котором ученые могут смотреть через линзу и видеть инфракрасные длины волн объекта. Оптические пирометры являются одним из старейших типов пирометров и способны видеть уровни длин волн до 0,65 микрон.

Как работают оптические пирометры

Оптические пирометры работают по основному принципу функции человеческого глаза для сопоставления яркости горячего объекта с яркостью калиброванной нити лампы внутри прибора. Оптическая система содержит фильтры, которые ограничивают чувствительность длины волны устройств узкой полосой длин волн около 0,65–0,66 микрон (красная область видимого спектра).

Другие фильтры снижают интенсивность, так что один прибор может иметь относительно широкий диапазон температур. Излишне говорить, что, ограничивая реакцию длины волны устройства красной областью видимого спектра, его можно использовать только для измерения объектов, которые достаточно горячие, чтобы быть раскаленными или светящимися. Это ограничивает нижний предел диапазона измерения температуры этих устройств примерно до 700 °C. Некоторые экспериментальные устройства были построены с использованием усилителей света для расширения диапазона вниз, но устройства становятся довольно громоздкими, хрупкими и дорогими.

2. Радиационный пирометр

Радиационный пирометр измеряет чистые длины волн излучения. Устройство имеет оптический сканер, который может видеть от 0,7 до 20 микрон в диапазоне длин волн, общем диапазоне для радиоактивного тепла. Оптический сканер помогает ученым измерять уровни радиации, не поднося пирометр к объекту, что может подвергнуть человека опасности радиационного облучения.

Как работает радиационный пиромер

Концепция радиационного пирометра заключается в том, что температура измеряется посредством естественного теплового излучения, испускаемого телом. Известно, что это тепло является функцией его температуры. Согласно функцияям устройства, способ измерения тепла можно свести к двум:

1. Пирометр полного излучения. В этом методе общее тепло, излучаемое горячим источником, измеряется на всех длинах волн..

2. Селективный радиационный пирометр. В этом методе тепло, излучаемое горячим источником, измеряется на заданной длине волны.

Как показано на рисунке ниже, радиационный пирометр имеет оптическую систему, включающую линзу, зеркало и регулируемый окуляр. Тепловая энергия, излучаемая горячим телом, передается на оптическую линзу, которая собирает её и фокусируется на детекторе с помощью зеркала и окуляра. Детектор может быть либо термистором, либо фото умножительными трубками. Хотя последний известен более быстрым обнаружением быстро движущихся объектов, первый может использоваться для мелкомасштабных приложений. Таким образом, тепловая энергия преобразуется детектором в соответствующий электрический сигнал и отправляется на выходное устройство отображения температуры.

Картинка: Радиационный пирометр. Блок-диаграмма

КТО ИЗОБРЁЛ ПЕРВЫЙ ПИРОМЕТР?

Задолго до изобретения исчезающей нити накаливания и электронных пирометров гончарам нужно было измерять температуру своих печей, чтобы убедиться, что их глиняные горшки будут правильно обжигаться. Поэтому неудивительно, что первый пирометр был изобретен великим английским гончаром Джозайей Веджвудом (1730–1795) где-то в конце 1770-х или начале 1780-х годов. Теперь Веджвуд знал, что фарфор сжимается при обжиге, и величина усадки зависит от температуры печи, поэтому он понял, что может легко измерить температуру печи, помещая внутрь куски фарфора и измеряя, насколько они сжались. (Сохранилась фотография фарфорового пирометра Веджвуда из фото библиотеки «Наука и общество».) 

В те дни гончарное дело было чрезвычайно важной отраслью промышленности в Британии, и это изобретение принесло Веджвуду членство в Королевском обществе (FRS) — одну из самых престижных научных наград Англии — в 1783 году. Но есть некоторые сомнения относительно того, заслужил ли он эту награду: например, в книге 1837 года под названием «Химия нескольких природных и искусственных гетерогенных соединений, используемых при производстве фарфора, стекла и керамики» доктор Симеон Шоу предполагает, что идея на самом деле могла принадлежать Томасу Мэсси, человеку, работавшему на фабрике Веджвуда и, по крайней мере, по крайней мере еще одна книга, которую Автор нашел из начала 19 века (Популярная энциклопедия сэра Д. К. Сэндфорда, 1836 года) также приписывает эту идею Мэсси.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик пирометров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/pirometry