Термометрія за випромінюванням тіла.

Вимірювання температури за випромінюванням тіла базується на використанні основних законів випромінювання, які встановлюють зв’язок між температурою випромінювача (досліджуваного об’єкта) і його спектральною світністю, тобто кількістю енергії, яка випромінюється за одиницю часу з одиниці поверхні досліджуваного об’єкта і яка міститься у певному діапазоні довжин хвиль. Залежно від спектральної чутливості пристрої вимірювання температури за випромінюванням поділяють на радіаційні, квазімонохроматичні та спектрального випромінювання.

Теоретичною основою радіаційної пірометрії є закон Стефана-Больцмана, який встановлює зв’язок між інтегральним значенням спектральної світності, тобто енергетичною світністю , і абсолютною температурою випромінювача. Пристрої, які базуються на цьому принципі, називаються пірометрами повного (або сумарного) випромінювання.

Радіаційні пірометри є найпростішими за будовою, але найменш точні серед приладів, що вимірюють температуру за випромінюванням. Радіаційний пірометр складається з оптичної системи (телескопа), первинного перетворювача потоку випромінювання в електричний сигнал і вторинного вимірювального приладу. Як первинний перетворювач найчастіше використовують зачорнені термоелектричні перетворювачі або болометри, які чутливі до всіх довжин хвиль потоку випромінювання, що ними сприймається.

Існують два різновиди оптичних систем радіаційних пірометрів: рефракторна (з заломлювальною лінзою) і рефлекторна (з відбивальним внутрішнім дзеркалом) системи.

В рефракторному пірометрі (рис. а) випромінювання від досліджуваного об’єкта 1 надходить на об’єктив (лінзу) 2 і через діафрагму 3 фокусується на гарячому спаї термоперетворювача. Термо-ЕРС, що виникає, вимірюється мілівольтметром, який градуюється в одиницях вимірюваної температури. Для компенсації похибки від зміни температури вільних кінців термоперетворювачів використовують пристрій 5 автоматичної корекції похибки у формі, наприклад, мостової схеми. Для візування телескопа на об’єкт вимірювання служить окуляр 6 і діафрагма 7.

У рефлекторному телескопі (рис. б) випромінювання від досліджуваного об’єкта 1 через діафрагму 2 надходить на рефлектор 3, відбивається і фокусується на гарячих спаях термоперетворювача. Коло вимірювання тсрмо-ЕРС складається, як і в рефракторних системах пірометрів, з вимірювального приладу і пристрою 5 автоматичної корекції похибок від зміни температури вільних кінців термоперетворювача.

На практиці зробити приймач випромінювання, який би поглинав випромінювання всіх довжин хвиль від 0 до ∞, дуже важко. Тому дуже часто задовольняють приймачами, які сприймають випромінювання в обмеженому діапазоні довжин хвиль від до . Пірометрами, принцип дії яких базується на залежності енергетичної світності випромінювача від температури в обмеженому інтервалі довжин хвиль, називають пірометрами часткового випромінювання.

Пірометри, принцип дії яких базується на використанні залежності від температури спектральної світності або пропорційної до неї спектральної яскравості (тобто спектральної світності, віднесеної до одиниці просторового кута), називають квазімонохроматичними або яскравісними.

Н айбільш розповсюджені серед яскравісних пірометрів оптичні пірометри - візуальні пірометри із ниткою, що зникає. При вимірюванні такими пірометрами випромінювання від досліджуваного об’єкта 1 через об’єктив 2 фокусується на нитку розжарення пірометричної лампи 4. Між об’єктивом та пірометричною лампою при вимірюванні температури понад 1500 °С (допустима температура нитки розжарювання) ставиться поглинальне скло 3. Зображення об’єкта дослідження і нитки пірометричної лампи при вимірюванні температури спостерігається пірометристом через окуляр 6. Між окуляром і пірометричною лампою знаходиться червоний світлофільтр 5.

Змінюють розжарення нитки пірометричної лампи, регулюючи струм розжарення і за допомогою регулівного реостата . Значення цього струму вимірюється приладом, проградуйованим в одиницях вимірюваної температури.

У візуальному монохроматичному пірометрі із ниткою, що зникає, і регулювальним нажарюванням під час вимірювання температури змінюють нажарювання нитки пірометричної лампи. Існують конструкції, в яких нажарювання лампи під час вимірювання підтримується сталим, а змінюється уявна світність об’єкта за допомогою поглинального клина, який розміщений між лампою та об’єктом дослідження. Поглинальний клин має плавнозмінний коефіцієнт пропускання, що залежить від положення клина. Клин виконується переважно у вигляді кільця, яке повертають під час вимірювання температури навколо осі, змінюючи коефіцієнт пропускання. З клином пов’язана шкала, яка проградуйована в одиницях яскравісної температури. Пірометри з поглинальним клином відрізняються нижчою точністю, порівняно з пірометрами з регульованим нажарюванням пірометричної лампи.

Монохроматичні візуальні пірометри із ниткою, що зникає призначені для вимірювань температур в діапазоні від 800 до 5 000 °С.

Поширені також квазімонохроматичні фотоелектричні пірометри. У фотоелектричних монохроматичних пірометрах фотоелемент в поєднанні з червоним світлофільтром підібрані так, щоб ефективна довжина хвилі такої системи, як і в оптичних пірометрах, дорівнювала мкм. Це забезпечує порівняльність результатів фотоелектричних і оптичних пірометрів.

Фотострум, що створюється фотоелементом, є мірою вимірюваної температури. Такі пірометри конструктивно нескладні, але відрізняються низькою точністю.

Із залежності спектральної світності від температури випромінювача випливає, що у міру збільшення температури тіла максимум його спектральної світності зміщується в бік коротших хвиль, що в зоні видимого спектра означає зміну кольорів променів максимальної інтенсивності. Це наштовхнуло на думку визначати температуру за кольором променів максимальної інтенсивності (світності). Виміряна за цим методом температура називається колірною. Колірну температуру визначають щодо світностей променів двох різних довжин хвиль в границях видимого спектра за допомогою так званих пірометрів відношення.

Порівнюючи відношення спектральних світностей чорного і реального тіл та логарифмуючи цей вираз, після відповідних перетворень отримаємо .

З останнього виразу випливає, що при колірних вимірюваннях температури на ділянці видимого спектра, коли монохроматичні коефіцієнти чорноти мало відрізняють один від одного, різниця між дійсною і колірною температурами буде незначною.

Р еалізація пірометрів спектрального відношення значно складніша ніж пірометрів часткового монохроматичног випромінювання. Випромінювання від досліджуваного об’єкта 1 фоку-сується об’єктивом 2 в площині діафрагми 3 і через біхроматичний модулятор 4, оптичну систему 5 і діафрагму 6 потрапляє на приймач випромінювань 7, яким може бути піроелектричний перетворювач, фотодіод чи фоторезистор. Діафрагма 3 - це калібрований отвір в круглій пластині із дзеркальною поверхнею. Зображення об’єкта в площині діафрагми 3 спостерігається візирним пристроєм, який складається з дзеркала та стандартного мікроскопа. З біхроматичного модулятора на приймач випромінювань почергово потрапляють потоки випромінювання досліджуваного об’єкта в двох різних ділянках спектра, для чого використовуються два світлофільтри, які закріплені у диску біхроматичного модулятора, що обертається, за допомогою двигуна ДС. Отже, сигнал з приймача випромінювань - це послідовність імпульсів, що чергуються, і пропорційних енергетичній світності досліджуваного об’єкта в двох спектральних інтервалах. Ці імпульси, підсилені попереднім підсилювачем ПП, надходять на електронний блок проміжкового перетворювача сигналів ППС, який реалізує функцію перетворення пірометра спектрального відношення і виробляє вихідний сигнал , зв’язаний з вимірюваною колірною температурою лінійною залежністю. Вихідним сигналом ППС є напруга постійного струму 0... 1 В, яка може вимірюватись вихідним приладом ВП_Р, проградуйованим у одиницях вимірюваної температури.

ВИМІРЮВАННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ РЕЧОВИН