3. Pyrometry

Pyrometry jsou bezdotykové teploměry, které určují teplotu měřeného tělesa z teplotního záření. Využíváme-li pro určení teploty tělesa širokého rozsahu vlnových délek, přístroj se nazývá radiační pyrometr (dříve totálně radiační pyrometr). Využívá-li pyrometr úzkého rozsahu vlnových délek, říkáme mu spektrální pyrometr (dříve parciálně radiační pyrometr). Pokud teplotu spektrálního pyrometru určujeme ze záře zářícího tělesa, nazývá se (ne zcela správně) jasový pyrometr. Veličina teplotního záření je „zář“ odpovídá veličině světelného záření „jas“. Optický pyrometr je druh jasového (i spektrálního) pyrometru, kde čidlem pro zjišťování rozdílu záře je lidské oko. Pyrometry se používají nejčastěji pro měření vysokých teplot nad 600°C.
 
Dokonale černé těleso maximálně pohlcuje i vyzařuje záření. Vyzařování je závislé na termodynamické teplotě. Intenzita vyzařování a pohltivost jsou si úměrné. Je-li teplota tělesa větší než teplota okolí, převažuje intenzita vyzařování nad pohltivostí. Podle Stefan-Boltzmannova zákona intenzita vyzařování  je úměrná čtvrté mocnině teploty T /K/ :

kde  = . Indexem o označíme, že se jedná o dokonale černé těleso. Intenzita vyzařování má integrální charakter, skládá se z příspěvků vyzařování při jednotlivých vlnových délkách, podle vztahu :
 

 
kde příspěvek Hol  se nazývá spektrální hustota vyzařování a l /m/ je vlnová délka záření.
 
Závislost spektrální hustoty intenzity vyzařování na vlnové délce a teplotě je dána Planckovým zákonem :
 

 
s konstantami C1 =
 

a C2 =

Závislost je graficky znázorněna na obr. 2.12.

Obr.2.12. Záření dokonale černého tělesa
 
Plocha pod křivkou pro danou teplotu je rovna intenzitě vyzařování Ho při této teplotě. Maximum vyzařování se posouvá se vzrůstající teplotou ke kratším vlnovým délkám podle Wienerova zákona posuvu. Skutečné těleso vyzařuje (i pohlcuje) méně než černé těleso. Jeho spektrální hustota intenzity vyzařování Hl je dána vztahem :
 
Hl = Al Hol ,
 
kde Al /1/ je emisivita pro vlnovou délku l. Závisí-li Al na vlnové délce, skutečné těleso je selektivní zářič, je-li konstantní v určitém rozsahu vlnových délek, skutečné těleso považujeme za šedé těleso.
 

3.1. Radiační pyrometr :

Je schematicky znázorněn na obr. 2.13. Využívá výchylkové měřící metody. Spojná čočka (nebo duté zrcadlo) zachycuje záření z určité oblasti žhavého tělesa a soustřeďuje je na začerněný terčík s termočlánkem (nebo jiným teplotním čidlem), umístěným v ohnisku. Dopadající záření se mění na teplo a zvyšuje teplotu terčíku až se dosáhne ustálený stav, charakterizovaný určitou teplotou terčíku. Termoelektrické napětí E /mV/ článku je pak úměrné čtvrté mocnině teploty žhavého tělesa T/K/. Statická charakteristika radiačního pyrometru bude přímka v logaritmických souřadnicích.
 
log E = A + B log T
 

Obr. 2.13. Radiační pyrometr
 
Za ideálních podmínek by směrnice B měla hodnotu 4. Spojná čočka i skleněné okénko část zářivé energie pohlcují, zejména v infračervené oblasti a pak B > 4,
 
Údaj radiačního pyrometru nezávisí na vzdálenosti od zdroje, pokud zdroj zaujímá celé zorné pole. Intenzity záření sice ubývá se čtvercem vzdálenosti, avšak plocha v zorném poli stejně narůstá. Za tímto účelem je pyrometr opatřen okulárem, pro jeho zaměření na žhavý předmět a pro kontrolu, zda předmět zaujímá celé zorné pole. Zorné pole je vymezeno clonou, kterou lze nastavit rozsah pyrometru. Označíme-li si plochy vstupních otvorů F1 a F2 je vztah mezi teplotami T1 a T2, odpovídajícími stejné výchylce měřícího přístroje,

     takže         

 
Údaj radiačního pyrometru je objektivní (není zatížen chybou pozorování) a lze jej využít pro dálkový přenos.

3.2. Optický pyrometr :

Obr. 2.14. Optický pyrometr
 
Optický pyrometr (Obr. 2.14.) je dalekohled s výsuvným objektivem 4, jímž se vytváří obraz měřeného tělesa v rovině vlákna žárovky, a s výsuvným okulárem, zaostřujícím vlákno žárovky. Okulár obsahuje červený filtr 7, který vymezuje vlnovou délku zářen. Zařazuje se při teplotách nad 900°C. Pro zvýšení měřícího rozsahu se vřadí mezi objektiv a žárovku šedý filtr páčkou 8.
 

Obr. 2.15. Elektrické schéma optického                                                    Obr. 2.16. Seřízení optického  pyrometru pyrometru
 
Elektrická část (Obr. 2.15.) se skládá z pyrometrické žárovky Ž, žhavené proudem 3V baterie přes otočný reostat R a tlačítko T. Paralelně k žárovce je připojen magnetoelektrický měřící přístroj s teplotní stupnicí. Účelem manipulace s přístrojem je nastavit odpor R tak, aby se konec smyčky vlákna žárovky svou září ztrácel v záři měřeného tělesa (Obr. 2.16.). Vlevo má vlákno žárovky nižší teplotu, v pravo vyšší a uprostřed správnou teplotu. Pyromet I má rozsahy 700°C až 1 500°C s chybou ± 22°C a 1 200°C až 2 300°C s chybou ± 35°C. Při měření do 900°C bez záření červeného filtru vzniká doplňková chyba na nemonochromatičnost, která může být maximálně ± 20°C.
 
Stupnice pyrometru je pro záření dokonale černého tělesa, které má emisivitu Al = 1. Reálná tělesa vyzařují méně energie, a proto bude jejich naměřená teplota vždy nižší než skutečná. Proto je nutno použít korekční tabulky a grafu pro výpočet korekce. V tabulce 2.17. jsou uvedeny emisivity Al pro některé látky.
 
Pro danou emisivitu Al a pro naměřenou hodnotu se z grafu na obr. 2.17. nalezne korekce. Korekce se připočte k naměřené teplotě (hrubému výsledku měření) a získaná hodnota je upravený výsledek měření.
 
I přes korekce může docházet u pyrometrů k chybám, způsobeným absorbcí záření v prostředí. Sklo, dým a kouř, ale také CO2 a páry H2O absorbují tepelné záření. Naměřený údaj bude proto nižší.

Tabulka 2.17. Hodnoty emisivity Al pro l = 0,65mm
 

Obr. 2.18. Korekční graf optického pyrometru

2.Termoelektrické snímače teploty                                   Další série