2.5 Измерение температуры тел по излучению

Все тела излучают в пространство энергию в виде электромагнитного теплового излучения (инфракрасные волны, видимый свет).

Интенсивность излучения тела на волне конкретной длины λ характеризуется физической величиной, которая называется спектральной энергетической яркостью В_λТ (она является функцией температуры и длины волны)

На рисунке 36 изображены графики зависимости спектральной энергетической яркости абсолютно черного тела для различных температур (напомним, что абсолютно черным телом называется тело, поглощающее все падающее на него излучение).

Рис.36. Спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела при различных температурах.

Графики этих зависимостей подчиняются закону Планка. Каждый график имеет максимум, соответствующий определенной длине волны. С ростом температуры максимум смещается в сторону коротких (высокочастотных) волн. Положение максимума на спектре зависит от температуры.

Закон Планка установлен для абсолютно черного тела. Реальные тела имеют меньшую излучающую способность, которая определяется коэффициентом поглощения α_λТ. Он зависит от длины волны и температуры тела. Для серого тела коэффициент поглощения α меньше единицы и не зависит от температуры и длины волны (обратите внимание, что именно по этой причине для серого тела при коэффициенте α подстрочные индексы, обозначающие длину волны λ и температуру Т, не пишут). Многие реальные тела по своим излучающим способностям близки к серым телам.

Для серого тела В_λТ=αВ⁰_λТ

Излучающая способность тела по всему спектру характеризуется интегральной энергетической яркостью В_Т (которая зависит только от температуры, поэтому подстрочный индекс λ не пишем):

В_Т= .

2.5.1 Методы измерения температуры тел по излучению и устройство пирометров.

Пирометры предназначены для измерения температур бесконтактным методом. Серийно изготавливаемые пирометры применяют для измерения температур от 20 до 6000 °С. Теоретически верхний предел ничем не ограничен. Таким образом, пирометры применяют, если контактные методы неприменимы (для контактных термометров верхний предел измерения составляет примерно 2200° С) или контакт с измеряемой средой невозможен по другим причинам.

Квазимонохроматические пирометры

Пирометры, действие которых основано на использовании зависимости температуры от спектральной энергетической яркости, называются квазимонохроматическими пирометрами.

Эти пирометры измеряют яркость в каком то узком частотном диапазоне, например на частотах, соответствующих красному цвету (любой цвет – это не одна какая то волна, а полоска спектра, хотя и очень узкая).

Рис. 37. Квазимонохроматический пирометр с исчезающей нитью.

«Монохроматический» переводится как «одноцветный». Приставка «квази» в переводе на русский язык означает «как бы».

На рисунке 37 изображена схема квазимонохроматического пирометра с исчезающей нитью.

Излучение от объекта измерения 1 проходит через объектив 2 и фокусируется в плоскости 3. В этой же плоскости расположена нить пирометрической лампы 4. Изображение раскаленной нити может быть рассмотрено наблюдателем 6 через окуляр 5. Между нитью пирометрической лампы и окуляром располагается красный светофильтр 7. Реостат 9 изменяет ток, проходящий через нить лампы от источника питания 10. Значение тока измеряется миллиамперметром 11, отградуированным в значениях яркостной температуры.

Для монохроматизации излучения (выделения определенного цвета) установлен красный светофильтр 7.

Процесс измерения сводится к изменению накала нити. Нить, нагретая меньше, чем раскаленное тело, будет казаться темной на светлом фоне. Нить, нагретая более чем раскаленное тело, будет светлее фона. Когда нить исчезает на фоне тела, их яркостные температуры сравняются. В это время производят отсчет по амперметру 11.

Ток накала в пирометре не может быть больше определенного значения, соответствующего яркостной температуре около 1500° С. Для возможности измерения более высоких температур в пирометре между объективом и пирометрической лампой может устанавливаться поглощающее стекло 8.

Такие пирометры выпускаются с различными верхними пределами измерения до 5000 °С с использованием поглощающих стекол с различными коэффициентами пропускания.

Рассмотренный вариант пирометра предусматривает сравнение спектральных энергетических яркостей тела и нити человеческим глазом.

Рис.38. Квазимонохроматический фотоэлектрический пирометр.

Существует большая группа автоматических пирометров, которые называются фотоэлектрическими, т. к. используют для сравнения не глаз человека, а фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, фотоумножители.

На рисунке 38 изображена схема квазимонохроматического фотоэлектрического пирометра. Световые потоки от измеряемого тела 1 и излучателя сравнения 8 поступают на фотоэлемент 5 не одновременно, а поочередно (короткими импульсами). Для этого в схеме предусмотрен электромагнитный вибратор 9 с заслонкой, которая поочередно открывает световой поток от излучателя сравнения и измеряемого тела. Если эти световые потоки не равны, то и импульсы фототоков будут так же не равны. В этом случае усилитель 6 и блок 7 будут измерять ток питания излучателя 8 до тех пор, пока фототоки в фотоэлементе в оба полупериода не станут равны. Ток питания излучателя сравнения измеряется автоматическим потенциометром по падению напряжения на образцовом резисторе 10.