Оптическая пирометрия

Итак, измерение температуры нагретого тела можно производить, исследуя тепловое излучение тела. Методы измерения температуры, основанные на законах теплового излучения, лежат в основе оптической пирометрии. Приборы, применяемые для этой цели, называются пирометрами излучения. Рассмотрим измерение температуры с помощью оптического пирометра с исчезающей нитью.

Пусть имеется чёрное тело, нагретое до некоторой температуры T, и пусть на его фоне расположена нить накала специальной пирометрической лампы. Если рассматривать нить и тело через светофильтр, выделяющий из спектра обоих тел излучение определённой длины волны ( = 660 нм), то, регулируя ток накала нити лампы, можно добиться того, что нить перестанет быть видимой на фоне нагретого чёрного тела. Это произойдёт тогда, когда яркости чёрного тела и нити для используемой длины волны сравняются. Выполнив эти операции для ряда значений температур чёрного тела, можно сопоставить ток накала и температуру чёрного тела, при которой нить становится невидимой. После этого можно применять нить пирометрической лампы в качестве термометра.

Действительно, поместив проградуированную нить на фоне любого нагретого тела, температуру которого надо измерить, и, изменяя ток накала, можно добиться исчезновения нити на фоне нагретого тела. По установившемуся току накала определяем температуру чёрного тела. Если бы тело излучало как чёрное тело, то искомая температура была бы найдена. Если оно излучает иначе, то найденная таким образом температура нуждается в поправке.

В самом деле, при таком измерении определяется не истинная (термодинамическая) температура данного тела, а та температура абсолютно чёрного тела, при которой интенсивность излучения, пропускаемого светофильтром, равнялась бы интенсивности излучения исследуемого тела в той же области спектра. Эту температуру называют яркостной.

Очевидно, что яркостная температура нечёрного тела ниже истинной термодинамической, а также и различна для различных участков спектра, так как излучательная способность любого тела меньше излучательной способности чёрного тела (см. рис. 2). Следовательно, при одинаковой яркости температура абсолютно чёрного тела ниже температуры нечёрного тела. Различие между яркостной и истинной термодинамической температурой может быть значительным. Например, для вольфрама вблизи 1000С термодинамическая температура выше яркостной на 47С, а при 3000С – уже на 327С. Для измерения истинной температуры по яркостной достаточно знать отношение R_{λ, T}/r_{λ, T} (коэффициент излучательной способности) в той области спектра, которая пропускается используемым светофильтром. Для вольфрама при λ = 660 нм R_{λ, T}/r_{λ, T} = 0,4. Связь между яркостной и термодинамической температурами находим по графику на стенде.

2. Описание установки и метода измерений

Измерение температуры тела осуществляется при помощи оптического пирометра (рис. 3) путём сравнения яркости тела с яркостью нити, проградуированной по чёрному телу. Объектив пирометра 1 проектирует изображение исследуемого тела на плоскость расположения нити накала пирометрической лампы (рис. 4). Нить накала лампы и изображение исследуемого объекта рассматриваются через окуляр 4. В этом окуляре находится красный (λ = 660 нм) светофильтр. Светофильтр необходим при измерениях, и он выводится и вводится в поле зрения окуляра вращением рифлёного кольца 3 на окуляре пирометра. В пирометре имеется ещё красноватый светофильтр 6 для уменьшения яркости излучения исследуемых тел в тех случаях, когда их температура превышает 1400°С. Используя этот светофильтр, можно измерять температуру тела до 3000С. Шкала миллиамперметра 5, включённого в цепь накала лампы, проградуирована непосредственно в градусах Цельсия. Миллиамперметр, встроенный в пирометр, имеет две шкалы: для диапазонов температур от 1200С до 2000С и от 1800С до 3200С. Нить накала подключена к аккумулятору. Ток нити регулируется реостатом, вмонтированным в пирометр. Изменение сопротивления реостата в процессе измерений температуры осуществляется вращением кольца 2.

Рис. 3

Рис. 4

Объектом наблюдения служит вольфрамовая спираль лампы накаливания. Температура спирали измеряется при различных значениях проходящего через неё тока и, следовательно, при различных значениях подводимой к ней мощности. В цепь накала лампы включён амперметр и вольтметр. С помощью этих приборов можно измерять электрическую мощность, выделяющуюся в спирали исследуемой лампы. Изменение тока накала в лампе производится посредством ручки потенциометра на блоке питания ВС-24. Электрическая схема дана на рис. 5.

Рис. 5

При высокой температуре подводимая к спирали исследуемой лампы мощность P почти полностью расходуется на излучение, т. е. P = R_TS, где R_T – интегральная излучательная способность нечёрного тела (спирали), S – площадь поверхности этого тела, T – температура тела. Тогда выполняется соотношение

,, (5)

где P – мощность, подводимая к лампе, I – сила тока, U – напряжение на лампе, B – постоянный коэффициент. Логарифмируя выражение (5), имеем

.(6)