3. Оптическая пирометрия

Законы теплового излучения используются для измерения температу­ры раскаленных и самосветящихся тел, например, звезд. Методы измере­ния высоких температур, использующие зависимость, спектральной плот­ности энергетической светимости или интегральной энергетической све­тимости тел от температуры, называются оптической пирометрией.

Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне называются пирометрами.

В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измерении температуры тел, различают радиационную, цветовую и яркостную температуры.

1. Радиационная температура Т_Р - это такая температура черного тела, при которой его энергетическая светимость R_E (2.2) равна энергетической светимости R _т (1.2) исследуемого тела.

В данном случае регистрируется энергетическая светимость иссле­дуемого тела и по закону Стефана-Больцмана (2.3) вычисляется его радиа­ционная температура Т_Р. Радиационная температура тела всегда меньше

его истинной температуры.

2. Цветовая температура Тц. Для серых тел (или тел, близких к ним по свойствам) спектральная плотность энергетической светимости

где А_т = const < 1.

Следовательно, распределение энергии в спектре излучения серого те­ла такое же, как в спектре черного тела, имеющего ту же температуру, по­этому к серым телам применим закон смещения Вина (2.4). Зная длину волны, соответствующую максимальной спектральной плотности энерге­тической светимости исследуемого тела, можно определить его темпера­туру, которая называется цветовой температурой.

Для серых тел цветовая температура совпадает с истинной. Для тел, которые сильно отличаются от серых, обладающих селекционным погло­щением, понятие цветовой температуры теряет смысл. Таким способом определяется температура на поверхности Солнца (Тц ~ 6500 К) и звезд.

3. Яркостная температура Т_я - это температура черного тела, при ко­торой для определенной длины волны его спектральная плотность энерге­тической светимости равна спектральной плотности энергетической све­тимости исследуемого тела, т.е.

(3.1)

где Т - истинная температура тела.

Из закона Кирхгофа (2.1), для исследуемого тела при определенной длине волны, учитывая (3.1) и для нечерных тел А<1, следует: Т_я< Т (ис­тинная температура тела всегда выше яркостной).

4. Тепловые источники света.

Свечение раскаленных тел используется для создания источников света, первые из которых - лампы накаливания и дуговые лампы - были изобретены русскими учеными А.Н. Лодыгиным и П.Н. Яблочковым.

Черные тела должны быть наилучшими тепловыми источниками све­та. Но для некоторых тел, например, вольфрама, обладающего селективно­стью теплового излучения, доля энергии, приходящаяся на излучение в ви­димой области спектра, значительно больше, чем для черного тела, нагре­того до той же температуры. Поэтому вольфрам является наилучшим ма­териалом для изготовления нитей ламп.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ. ТЕОРИЯ МЕТОДА

Оптический пирометр ОППИР - 017. Пирометр частичного излуче­ния (монохроматического типа) с исчезающей нитью переменного накала позволяет измерить температуру тел, нагретых выше температуры начала видимого свечения по их спектральной (монохроматической) яркости, на­блюдаемой в лучах определенного цвета, (узкого диапазона длин волн) оцениваемой по значению приводимой с нею в фотометрическое равнове­сие эталонной регулируемой яркости нити электрической лампы накали­вания.

Оптический пирометр показывает действительную температуру толь­ко тогда, когда излучение накаленного тела, температура которого подле­жит измерению, достаточно близка к излучению абсолютно черного тела. При остальных условиях пирометр измеряет температуру меньшую действительной, т.е. яркостную температуру. Шкала прибора градуируется в градусах яркостной температуры накаленного тела.

Принцип действия: по мере возрастания температуры любого нака­ленного тела, яркость его свечения увеличивается, а цвет изменяется. Это означает, что с изменением температуры изменяется процентное соотно­шение лучей различных длин волн, испускаемых накаленным телом и оп­ределяющих цвет излучения.

Если сравнивать различные удельные мощности излучения всегда в одних и тех же монохроматических (т.е. одноцветных) лучах, то эти мощ­ности будут зависеть от температуры накаливания тел.

Зависимость между удельной мощностью излучения, (т.е. мощностью, излучаемой единицей поверхности тела в единицу времени), длиной волны излучения (т.е. цветом излучения) и температурой излучателя дается зако­ном Планка.

Между тем, закон Планка справедлив только для абсолютно черного тела, представляющего собой воображаемый идеальный излучатель, раз­вивающий наибольшую, принципиально возможную при данной темпера­туре мощность излучения..

Так как мощность реального тела при некоторой температуре всегда меньше мощности излучения абсолютно черного тела при той же темпера­туре, то, оценивая температуру по монохроматической яркости, нельзя оп­ределить действительную температуру реального физического тела. Вме­сто нее всегда определяется относительно меньшая, так называемая ярко-стная температура, до которой надо нагреть абсолютно черное тело для то­го, чтобы его монохроматическая яркость была равна соответствующей фактической яркости реального физического тела. От яркостной темпера­туры всегда можно перейти расчетным путем к действительной. Для этого нужно знать коэффициент монохроматической излучательной способности (соотношение яркостей) - соотношение монохроматических яркостей данного реального физического тела и абсолютно черного тела для выбранно­го цвета излучения и нужного интервала температуры (специальные таб­лицы).

Итак, разбираемый оптический метод измерения температуры нака­ленных тел сводится к измерению их монохроматической яркости.

Так как измерение абсолютного значения яркости представляется за­труднительным, то в оптическом пирометре помещают эталон яркости, для которого заранее способом сравнения с искусственным абсолютно черным телом установлена зависимость яркости от температуры.

С яркостью эталона сравнивают яркость тела, температура которого измеряется. В оптическом пирометре с исчезающей нитью таким эталоном служит яркость нити специальной электрической лампы накаливания, именуемой пирометрической (или фотометрической).

Оптическая система пирометра позволяет рассматривать нить лампоч­ки на фоне изображения накаленного тела. Доводя яркость нити изменени­ем тока накала до совпадения с яркостью накаленного тела,,можно утвер­ждать, что раз равны монохроматические яркости, то равны и температу­ры, а так как температура эталона всегда известна, то известна и измеряе­мая яркостная температура тела.

Момент достижения равенства монохроматических яркостей опреде­ляется на глаз с большой точностью, поскольку человеческий глаз является исключительным нулевым индикатором контрастности излучения светя­щихся тел.

Достижение равенства яркостей, называемое фотометрическим равно­весием, воспринимается наблюдателем как исчезновение нити лампы на фоне изображения тела. По достижении фотометрического равновесия производится отсчет яркостной температуры объекта измерения. Эту тем­пературу отсчитывают по шкале прибора, градуированной в градусах тем­пературы.

Для длительного сохранения неизменных характеристик пирометри­ческой лампочки температура ее нити не должна превышать 1400 С. По­этому при измерении температуры выше 1400°С надо ослаблять излучение тела, температура которого измеряется настолько, чтобы ослабленная яр­кость объекта измерялась при его наивысшей возможной температуре и не превосходила яркости, соответствующей 1400°С. Такое ослабление ярко-, сти тела, температура которого измеряется, достигается введением на пути лучей между телом и лампочкой поглощающего стекла (фильтр), которое поглощает часть излучения тела.

На шкале прибора два предела измерений: нижний от 800 С до 1400 С (обозначен голубой точкой); второй от 1200°С до 2000°С (обозначен крас­ной точкой) - используют фильтр (рис.2).

1 - накаленное тело, 2 - объектив, 3 - ослабляющий светофильтр, 4 - пи­рометрическая лампочка, 5 - окуляр, 6 - монохроматический (красный) светофильтр, 7 - кольцевой реостат, 8 - ЛАТР