№ 6 Оптический пирометр

основанного на визуальном сравнении яркости раскаленной нити лампы сравнения с яркостью изображения исследуемого тела. Равенство видимых: яркостей, наблюдаемых через монохроматический светофильтр для =0,65 мкм фиксируется по исчезновению изображения нити на фоне раскаленного тела. Разберем этот метод более подробно.

Пусть имеется черное тело, нагретое до некоторой температуры Т.

Пусть на фоне этого нагретого тела расположена нить накала специальной пирометрической лампы. Мы рассматриваем нить и тело через светофильтр, выделяющий из спектра обоих объектов излучение определенной длины волны =0,65 мкм. Регулируя ток накала нити лампы,

можно добиться того, что нить перестает быть видимой, исчезает на фоне раскаленного черного тела. Это как раз имеет место тогда, когда яркости черного тела и нити для используемой длины световой волны сравняются.

Найдем значение тока накала нити при данных условиях. Выполним операции для нескольких значений температуры черного тела, измеренной при помощи термометра сопротивления или термопары. Таким путем устанавливается определенное соответствие между значениями температуры черного тела и токами накала нити в момент, когда она исчезнет на фоне черного тела. Это будет означать, что мы прокалибруем в шкале температур яркость нити в зависимости от тока накала. После этого можно принять нить лампы в качестве термометра. В самом деле, пусть надо измерить температуру какого-то нагретого тела. Поместим прокалиброванную нить на фоне тела. Допустим, что это происходит при каком-то токе. Тогда, пользуясь калибровочным графиком, можно найти соответствующую использованному току температуру черного тела, при которой нить раньше исчезала на фоне этого тела. Если тело, температуру которого определяем, излучает как черное тело, то ясно, что его искомая температура найдена. Если же тело излучает иначе, чем черное тело, то

цветовые температуры и сама градуируется по току. В баллоне температурной лампы вольфрамовая лента 1 толщиной 0,02-0,03 мм шириной 2 мм расположена вертикально. Это положение необходимо выдерживать при любых работах с лампой, а линия визирования должна быть всегда перпендикулярна рабочей части ленты. Время установления стационарного теплового режима для вакуумных ламп составляет 10

минут. Рабочие токи через ленту лампы до 12 А. поддерживает стабилизированный источник питания 2. Последовательно с вольфрамовой лентой лампы 1 включено образцовое сопротивление. Вместе с измерителем напряжения 4 (вольтметр с пределом на несколько вольт) оно позволяет достаточно точно фиксировать и воспроизводить по току режим работы температурной лампы (яркость и температуру). Для вольфрама соотношения между истинной и яркостной температурами при =0,65мкм приведены в таблице 1.

Яркостный пирометр. Лабораторный оптический пирометр переменного накала типа ЛОП-72 с исчезающей нитью предназначен для определения Тяр. Схема оптического пирометра приведена на рис. 2в.

Объектив 1 и микроскоп с окуляром 2 помещены в тубусе пирометра. В

специальном патроне находится пирометрическая лампа 5. Для расширения диапазона измеряемых температур между объективом 1 и

пирометрической лампой установлена кассета с ослабляющими поглотителями с заранее известным коэффициентом поглощения. Между пирометрической лампой и окуляром находится набор светофильтров,

позволяющих производить измерения в монохроматическом свете.

Изображение предмета фокусируется объективом 1 на плоскость нити пирометрической лампы 5. Это сфокусированное изображение предмета и сама нить лампы 5 видны через окуляр микроскопа.

Электропитание цепи нити накала пирометра должно осуществляться от

блока питания 7 – стабилизированного источника напряжения постоянного тока в интервале 3,5-6 В.

Исследуемый излучатель (рис. 2б) представляет собой компактное нагревательное устройство - трубчатую печь сопротивления открыто типа,

предназначенную для работы на воздухе. Источником света 1 является тонкостенная металлическая трубка (длина 54 мм, диаметр наружный 4

мм, толщина стенки 0,1 мм.) в середине наружной поверхности которой имеется отверстие 5 диаметром 1,2 мм. Источник света с подобными параметрами достаточно близок к модели абсолютно черного тела Измеряемая пирометром яркостная температура отверстия в трубке тем ближе к действительной температуре трубки, чем лучше соблюдены условия черноты. В данной конструкции модели черного тела степень черноты излучения определяется двумя факторами: однородностью температуры излучающей полости и степенью замкнутости полости. В

данной трубчатой модели, накаливаемой электрическим током,

однородность температуры всей полости трубки обеспечить нельзя из-за неизбежного оттока тепла к торцам трубки в местах контактов с токопроводами. Если трубка изготовлена из ленты однородной толщины,

то однородность температурного поля может быть достигнута на тем большем участке длины трубки, чем больше отношение длины трубки к площади ее поперечного сечения. Во избежание появления больших термических напряжений, один из токоподводов трубки выполнен подвижным. Излучатель может располагаться как вертикально, так и горизонтально. Источник питания 2 обеспечивает регулирование и поддержание рабочих токов через излучатель до 80 А. Последовательно с излучателем 1 включается образцовое сопротивление 3 (порядка 10-3 Ом).

Измеритель напряжения 4 (вольтметр с пределом измерения на несколько вольт) дает возможность контролировать требуемые режимы излучателя и вместе с источником питания 2 их воспроизводить.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

Перед проведением работы целесообразно ознакомиться с рекомендуемой литературой, содержанием описания, устройством и

принципом действия приборов.

Соберите схемы, представленные на рис.2а, б, в.

Задание 1. Тарировка пирометра осуществляется сравнением Тяр

пирометра и Тяр вольфрамовой ленты при разных значениях тока,

протекающего через вольфрамовую ленту и регулируемого источником питания. Постепенно увеличивая ток накала нити лампы через 0,5 А и уравнивая яркости раскаленной нити лампы и нити пирометра, установить зависимость

используя градуировочный график и таблицу I. Представить графиков зависимости T=f(Tяр); Tяр=f(Jпир), где J - ток накала нити лампы, Т -

температура нити, определяемая из градуировочного графика, Тяр -

яркостная температур лампы., равная яркостной температуре пирометра, Jпир - ток пирометра.

Задание 2. Собрать схему 2б. Исследуемый источник излучения -

никелевая трубка с отверстием посередине - располагается на оптической оси пирометра. Для фиксированных значений тока накала трубки добиться установления одинаковой яркости раскаленной трубки и нити пирометра.

Измерить силу тока, напряжение на трубке и ток накала нити пирометра.

По графику Tяр=f(Jпир) найти Tяр соответствующие измеренным значениям

Jпир. По формуле (15) вычислить истинную термодинамическую температуру никелевой трубки ( T=0.85) .

Задание 3. Определить зависимость Tяр=f(Jпир) для светофильтра=0,65 мкм с поглотителем. Поглотитель уменьшает яркость исследуемого объекта в определенное число раз. Для одного и того же значения

Задание 5. Для каждого значения термодинамической температуры определяется расходуемая мощность и результаты измерений представляются в виде W=f2(T). Приравниваем эту мощность количеству энергии, теряемой объектом за единицу времени, и в соответствии с законом Стефана-Больцмана, имеем:

W=JU= S[ (T)T4- (Tокр)Tокр4],

где Токр - температура окружающей среды. Если Токр близка к комнатной, а

температура полости больше 103 К, то можно положить T4>>Tокр4 и

W S (T)T4

где S - общая поверхность излучателя. Отсюда

Полагая для никеля (T)= 0,85 в интервале температур 1000-1500 К, по формуле.

определяется численное значение постоянной Планка. Здесь с=3 108 м/с,

К=1,38 10-23 Дж/К.

Табличное значение h=6,62 10-34 Дж с.

В заключение оцениваются точность измерений , h и Т.

ЛИТЕРАТУРА

1.Гордов А.Н. Основы пирометрии. Москва, "Металлургия", 1971.

2.Оптика и атомная физика (лабораторный практикум по физике) Отв.

ред. Солоухин Р. И. Новосибирск, "Наука", 1976.

Таблица 1.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЛЬФРАМА

Т=f(J)

Т, К

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

4000 К

3500 К

1500 К

750 К

Рис. 1. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела при различных температурах.