Работа № 2 измерение высоких температур оптическим пирометром.

Цель работы: а) определить температуру раскаленной вольфрамовой ленты;

б) найти зависимость энергетической светимости вольфрама от температуры.

Приборы и принадлежности: Вольфрамовая лента, заключенная в лампе СИ 8-200, оптический пирометр ОППИР-09, или ОППИР-017, автотрансформатор, понижающий трансформатор 220/12 В, амперметр, вольтметр, аккумулятор.

Введение

Среди различных методов измерения высоких температур особое место занимают оп­тические методы, основанные на использовании законов теплового излучения. Методы эти применяются в тех случаях, когда нежелателен или невозможен контакт измеритель­ной аппаратуры с раскаленным телом. Совокупность оптических методов определения высоких температур называется оптической пирометрией, а приборы, позволяющие определять высокие температуры по измерению теплового излучения, называют оптическими пирометрами. Одни из них, радиационные, определяют температуру по энергетической светимости тела, т.е. по количеству испущенной нагретым телом энергии (радиационную температуру). Другие, цветовые, по длине волны _m, на которую приходится максимум испускательной способности нагретого тела (цветовую температуру), третьи, яркостные, по сравнению яркости излучения раскаленного тела с яркостью абсолютно черного тела – нити накала пирометра– в одном и том же участке спектра (яркостную температуру). Изменяя ток накала через нить накала пирометра, добиваются совпадения яркостей нити накала пирометра и исследуемого тела. Поскольку температура нити накала и ток через нее связаны определенным соотношением (см. ниже), то температура нити накала пирометра легко определяется по току. Тем самым определяется и температура исследуемого тела. В данной работе используется именно этот метод измерения температуры. При этом необходимо иметь в виду, что между яркостной температурой абсолютно черного тела (АЧТ) и истинной температурой тела имеется небольшое различие. Действительно, яркостной температурой Т_ , для некоторой длины волны , называется такая температура АЧТ, при которой его яркость¹ В* совпадает с яркостью исследуемого тела В при истиной температуре этого тела Т:

(1).

Аналогичное соотношение имеет место и для испускательных способностей

(2).

Согласно закону Кирхгофа и равенству (2), поглощательная способность тела равна:

a (,T)= (3).

А так как для температур T~10³ К и длин волн ~510^-7 м в формуле Планка²

величина то формула Планка переходит в формулу Вина:

(4).

Используя (3) и (4), поглощательную способность можно записать следующим образом:

(5)

а из формулы (5) получить истинную температуру тела:

(6)

Так как всегда a(,T)1, то из (6) следует, что истинная температура тела Т больше яркостной Т_, но это различие сказывается при температурах T~10⁵ К и выше. Поэтому при измерении температур порядка 10³ К яркостную температуру можно с большой степенью точности принять за температуру исследуемого тела.

Принцип работы и устройство оптического пирометра

С помощью пирометра с исчезающей нитью накала измеряют температуру накаленного тела, сравнивая его яркость (для определенной длины волны =0,65 мкм) с яркостью нити пирометрической лампы, которая прокалибрована по абсолютно черному телу.

Общий вид пирометра представлен на рис. 1.

Пирометр состоит из корпуса 1, в котором вмонтирована труба объектива 2, с выдвижным тубусом 3, служащим для получения четкого изображения накаленного тела в плоскости нити пирометрической лампы, установленной внутри пирометра. На корпусе, со стороны объектива 2, имеется поворотная головка 4 ослабляющего (дымчатого) светофильтра с известным коэффициентом поглощения. Светофильтр вводится в поле зрения при измерении температур, превышающих 1200С. Он введен, когда индексы на поворотной головке и на корпусе совпадают и выведен, когда индексы смещены относительно друг друга на 90.

В крышке корпуса смонтированы электроизмерительный прибор, шкала которого 5 имеет два диапазона температур¹ и реостат 6, служащий для регулировки тока накала пирометрической лампы. Пирометрическая лампа является эталоном измеряемой яркостной температуры. Она имеет дугообразную нить накала, расположенную в плоскости, перпендикулярной оптической оси прибора. Для питания электрической схемы лампы используется аккумуляторная батарея, входящая в комплект оптического пирометра. Регулировка тока накала лампы осуществляется кольцевым реостатом 6.

В крышке корпуса подвижно закреплен окуляр 7 для наблюдения нити лампы на фоне изображения накалённого тела и светофильтр с узкой полосой пропускания. Средняя длина волны пропускания светофильтра =0,65 мкм. Светофильтр укреплен в поворотной обойме 8, с помощью которой он вводится в поле зрения.