2.2. Поверка ик-термометра с помощью образцовой лампы накаливания.

Лампа накаливания – электрический источник света, в котором тело накала (тугоплавкий проводник), помещённое в прозрачный вакуумированный или заполненный инертным газом сосуд, нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока, в результате чего излучает в широком спектральном диапазоне, в том числе видимый и инфракрасный свет. В качестве тела накала в настоящее время используется в основном спираль из сплавов на основе вольфрама.

Принцип действия лампы накаливания.

В лампе используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Тело накала излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Функция Планка (зависимость спектральной плотности энергетической светимости r_λТ от длины волны излучения) имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Распределение энергии в спектре тела накала при температурах Т₁>T₂ >T₃.

Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура тела накала была порядка от тысячи градусов. При температуре 5770 K (температура поверхности Солнца) свет соответствует спектру Солнца. Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света, и тем более «красным» кажется излучение.

Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение (в данной работе измерение температуры лампы накаливания основано на преобразовании энергии её инфракрасного излучения в цифровую величину температуры).

В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления – вольфрам (3410 °C), осмий (3045 °C), а также молибден (2620°C, с научно-лабораторной целью).

В обычном воздухе при высоких температурах материалы тела накала (W, Mo) мгновенно превратились бы в оксиды. По этой причине тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Первые лампы изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения – до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения тела накала, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания.

Измерение температуры лампы накаливания в данной работе осуществляется с помощью пирометра – инфракрасного термометра с лазерным целеуказателем.

ИК-термометр (пирометр) с лазерным целеуказателем – прибор для бесконтактного измерения температуры. Инфракрасные термометры измеряют температуру поверхности объекта. Оптика прибора собирает собственное излучение объекта, отраженное и прошедшее через объект излучение, и фокусирует на приемник излучения. Первичный пирометрический преобразователь прибора выдаёт величину энергии излучения и преобразует её в электрический сигнал, пропорциональный значению температуры объекта измерения. Этот сигнал проходит через электронный преобразователь (вторичный пирометрический преобразователь), попадает в измерительно-счетное устройство и обрабатывается в нем. Результат отображается на экране приборов в виде цифровой величины температуры. Лазер используется только для наведения на объект.

Поле зрения – измеряемый диаметр объекта, с поверхности которого «КЕЛЬВИН» принимает энергию инфракрасного излучения.

Измеряемый диаметр объекта определяется показателем визирования и зависит от расстояния до ИК-термометра. Он равен произведению показателя визирования на расстояние до термометра (рис. 4.2).

Рис. 3.2. Показатель визирования «КЕЛЬВИН-КОМПАКТ ПЛЦ 2300» (1:500).

Излучательной способностью ε объекта называется отношение мощности излучения объекта при данной температуре к мощности излучения абсолютно черного тела (АЧТ).

Излучательные свойства объекта определяются свойствами материала и чистотой обработки поверхности объекта, а не цветом его поверхности. Излучательная способность ε большинства органических материалов (дерево, пластики, краски и т.д.) равна приблизительно 0,95. Полированные металлические поверхности часто имеют низкие значения излучательной способности. В таблице 4.1 приведены типичные значения излучательной способности некоторых металлических материалов.

Таблица 3.1. Излучательная способность некоторых металлических материалов.

Материал	Коэффициент излучения
Цинк (окисленный)	0,1
Луженая сталь	0,1
Серебро	0,1
Золото	0,3
Вольфрам	0.39
Платина	0,27
Окись алюминия (мелкозернистая)	0,25
Двуокись кремния (мелкозернистая)	0,4
Молибден	0,25-0.35
Олово	0,25
Свинец	0,35

Методика поверки.

a) Внешний осмотр.

При проведении внешнего осмотра необходимо убедиться в целостности прибора (отсутствие трещин или вмятин на корпусе) и в соответствии комплектности, маркировки, упаковки, технической документации. Объектив пирометра не должен иметь загрязнений, царапин и заколов.

б) Опробование.

Подготовленный и собранный пирометр включают в сеть и в соответствии с руководством по эксплуатации проверяют его работоспособность.

в) Определение основной погрешности пирометра.

• Для определения основной погрешности пирометра проводят измерение температуры излучателя при различных режимах питания, т.е. при различных значениях тока накала лампы.

• Поверяемый пирометр наводят на эталонный излучатель, в соответствии с правилами наведения на объект.

• При достижении заданного режима излучателя измеряется его температура; данные о действительной температуре излучателя и измеренной пирометром по цифровому каналу заносятся в протокол.

• Операцию повторяют, по крайней мере, при 5 различных значениях тока накала лампы, результаты записывают в протокол.

• Основную погрешность вычисляют по формуле (3.1):

(3.1)

где T_изм – измеренная пирометром температура лампы, °С.

T_ном – градуированная номинальная температура лампы, °С.

• Результаты поверки считаются положительными, если погрешность, рассчитанная по формуле (3.1), не превышает значений, приведенных в руководстве по эксплуатации, во всех точках. Если погрешность пирометра превышает допустимое значение при одном значении температуры, то поверку при этой температуре производят повторно. Если при повторной поверке погрешность превышает допустимое значение, то пирометр бракуется.