18. Основы теории измерения температуры тел по излучению

Все тела излучают электромагнитные волны различной длины λ или частоты ν. Электромагнитное излучение, возбуждаемое тепловым движением молекул, называют тепловым излучением. Это излучение имеет место при температурах до 4000 °С как результат колебательного или вращательного движения молекул. При более высоких температурах излучение вызывается в основном процессами диссоциации и ионизации. Если излучение какого-либо тела падает на другое, непрозрачное для этого излучения тело, то оно поглощается на поверхности и превращается в теплоту. Вообще процессы поглощения и излучения взаимообратимы. Лучи, падающие извне на поверхность тела, могут полностью или частично отражаться от поверхности, поглощаться телом, проходить через тело. Отношение отраженного, поглощенного и пропущенного потока излучения к падающему на тело потоку излучения называется соответственно коэффициентами отражения ρ = Фотр/Фо, поглощения α = Фп/Фо и пропускания τ = Фпр/Фо. Для монохроматического излучения (излучения с определенной длиной волны) эти коэффициенты называются соответственно спектральными коэффициентами отражения ρλ, поглощения αλ и пропускания τλ. Они зависят от материала тела, способа обработки, состояния поверхности, температуры и ряда других факторов. Между ними существуют следующие соотношения: ρ + α + τ =1 и ρλ + αλ + τ λ =1. (5.1) Тело, поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом. По закону Кирхгофа отношение спектральной энергетической яркости любого13 источника теплового излучения ВλТ к его спектральному коэффициенту поглощения αλТ равно спектральной энергетической яркости абсолютно черного тела В0λТ при одной и той же длине волны λ и температуре Т: ВλТ / αλТ = В0λТ. (5.2) Энергетическая яркость тела ВТ при температуре Т может быть определена по спектральной, энергетической яркости при интегрировании по всему диапазону длин волн ВТ = ∫ В0λТ dt. Все законы излучения установлены для абсолютно черного тела. Реальные тела имеют меньшую излучательную способность, которая определяется коэффициентом поглощения αλТ или коэффициентом теплового излучения ελТ (см. 5.2), зависящими, как правило, от длины волны излучения и температуры тела. Многие реальные тела по своим излучательным способностям близки к серым телам. Серым телом называют тело, коэффициент поглощения которого не равен 1, но не зависит от длины волны и температуры.

19. Пирометры. Методы измерения температуры тел по излучению

В ряде случаев в промышленности и при исследованиях возникает необходимость измерять более высокие температуры. Кроме того, часто недопустим непосредственный контакт термометра с измеряемым телом или средой. В этих случаях применяются бесконтактные средства измерения температуры, которые измеряют температуру тела или среды по тепловому излучению. Такие средства измерения называются пирометрами. Серийно выпускаемые пирометры применяются для измерения температур от 20 до 6000°С.

Существуют следующие типы пирометров: квазимонохроматический, полного излучения и спектрального отношения.

Можно установить зависимость от температуры при λ=const и для спектральной энергетической яркости. Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости температуры от спектральной энергетической яркости, описываемой формулой Планка, называется квазимонохроматическим пирометром,

Если взять отношение спектральных энергетических яркостей при двух длинах волн λ₁=const и λ₂=const, то можно заметить, что это отношение будет изменяться с изменением температуры. Это изменение вызвано тем, что с изменением температуры смещается максимум излучения и соответственно изменяется соотношение спектральных энергетических яркостей для двух фик­сированных длин волн. Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости от температуры тела отношения спектральной энергетической яркости для двух (или более) фиксированных длин волн, называется пирометром спектрального отношения.

Если проинтегрировать спектральную энергетическую яркость при Т=const по длинам волн от 0 до ∞, то получим значение энергетической яркости, которое будет характеризоваться площадью под соответствующей изотермой. Этот интеграл (или площадь под изотермой) будет изменять свое значение в зависимости от температуры. Пирометр, действие которого основано на использовании зависимости температуры от интегральной энергетической яркости излучения, описываемой для абсолютно черного тела законом Стефана—Больцмана, называется пирометром полного излучения.

На практике трудно осуществить такой приемник излучения, который поглощал бы излучение всех длин волн от 0 до ∞. В связи с этим часто при­меняются пирометры с приемниками, воспринимающими излучение в интер­вале длин волн от λ₁ до λ₂. Пирометр, действие которого основано на зависи­мости от температуры энергетической яркости излучения в ограниченном ин­тервале длин волн, называется пирометром частичного излучения.

В связи с тем, что излучательные способности реальных тел очень разнообразны и зависят от температуры, длины волны и состояния поверхности тел, производить градуировку пирометров излучения по реальным телам не представляется возможным.