§ 10.3. Оптическая пирометрия. Тепловые источники света

1. Для измерения температуры раскаленных тел, а также самосветящихся тел, удаленных от наблюдателя (например, звезд), нельзя пользоваться обычными методами, основанными на применении термометров расширения, электрических термометров сопротивления и термопар.. В этих случаях о температуре тела можно судить- только по его" излучению. Совокупность методов измерения высоких темпе- ратур, основанных на исполь- зовании зависимости испуска- В тельной способности исследуе- мого тела (или его интегральной испускательной способности) от А температуры, называется опти- ческой пирометрией. Приборы, применяемые для этой цели, Рис. 10.5

называются пирометрами излу­чения. Пирометры излучения бывают двух типов — радиационные и оптические. .В первых регистрируется суммарное тепловое излучение исследуемого нагретого тела во всем интервале частот от 0 до со, во вторых — его излучение в каком-либо одном или двух узких участках спектра.

2. В радиационном пирометре (рис. 10.5) изображе­ние участка А В светящейся поверхности S удаленного тела проекти­руется с помощью линзы О на крестообразную пластинку s', изготов­ленную из платиновой фольги с зачерненной поверхностью. В пла­стинке заложены горячие спаи батареи последовательно соединенных •термопар. Холодные спаи термопар выведены во внешнюю часть при­бора и находятся при комнатной температуре. Можно доказать, что энергия излучения поверхности 5, падающего на пластинку s' за единицу времени, не зависит от расстояния /, если только поверхность 5 столь велика, что ее изображение в линзе О полностью покрывает всю поверхность пластинки s'. В этом случае температура нагрева пластинки и термоэлектродвижущая сила в цепи батареи термопар, измеряемая милливольтметром mV, зависят только от интегральной испускательной способности R₃ исследуемого тела.

Шкала милливольтметра градуируется по излучению абсолютно черного тела прямо в °С (или К). Поэтому для произвольного излу­чателя пирометр позволяет определить так называемую радиационную температуру T_v, т. е. такую температуру абсолютно черного тела, при которой его интегральная испускательная способность ^э(^р) равна интегральной испускательной способности R₉ исследуемого тела. Из формул (10.12) и (10.14) следует, что для нахождения истин­ной температуры Т исследуемого тела необходимо знать его коэффи­циент черноты а: /?₃=аа7^,4=а7'р, или

Г = Г_Р/^- (10.31)

Так как а^1, то Т^Т„.

3. В качестве примера оптического пирометра рас­смотрим пирометр с исчезающей нитью, принципиальная схема кото­рого изображена на рис. 10.6. С помощью объектива О изображение светящейся поверхности исследуемого тела совмещается с плоскостью нити накала фотометрической лампы Л. Нить и изображение тела рассматриваются через окуляр Ох и светофильтр Ф, пропускающий

красный свет с длиной волны в ва­кууме Я,₀=660 нм. Яркость накала нити регулируется путем изменения идущего по ней тока с помощью рео­стата R. При измерениях силу тока в цепи нити подбирают таким образом, чтобы нить не была видна на фоне по­верхности исследуемого тела, т. е. чтобы испускательные способности /\ нити и поверхности были одинаковы для монохроматического света Х₀. Миллиамперметр (тА) пирометра предварительно градуируется в °С (или К) по излучению абсолютно черного тела. Поэтому с помощью оптического пирометра можно оп­ределить так называемую яркостную температуру исследуемого тела, т. е. такую температуру Г_я абсолютно черного тела, при ко­торой его испускательная способность г{ для монохроматического света Х₀ равна испускательной способности г_х исследуемого тела: rl_t(T_g) = ri_D(T), где Г — истинная температура тела. Из закона Кирхгофа следует, что г_к(Т) = а_к(Т) г*_к(Т), где а_к(Г)—поглоща­тельная способность исследуемого тела для монохроматического света А,₀ при температуре Г тела, a r£_o (Г) —испускательная способность абсолютно черного тела для тех же значений длины волны и темпе­ратуры. Таким образом,

Для всех тел а*. (ГХ 1. Поэтому г'_к(Т_я)^Г_к(Т) и, как видно из формулы Планка (10.27), Г_Я<Г. Для определения истинной тем­пературы тела по его яркостной температуре необходимо знать по-глощательную способность тела а^(Т), так как из (10.32) и (10.27)

_eaJT j

следует, что —j~ = а%_а(Т), где a₁=hc/kX₀.

е ¹' я — 1

4. Распределение энергии в спектре излучения серого тела такое же, как и в спектре абсолютно черного тела, имеющего ту же темпе­ратуру, так как отношение г_% (Т)/г{ (Г) не зависит от длины волны X. Поэтому для серых тел справедлив закон смещения Вина (10.17') и, зная Х_т, можно определить температуру этих тел: Т=ЫХ_т.

К несерым телам закон Вина неприменим. Однако если исследу­емое тело мало отличается от серого, то его истинная температура

Г близка к так называемой цветовой температуре Г_ц, которая нахо­дится из условия

^^JI^L — lhULt ' (10.33)

где Хх и Х_г— два определенных значения длины волны света. Обычно принимают Л,_х=655 нм (красный свет) и Я,₂=470 нм (зеленый свет).

5. Свечение раскаленных тел широко используется для создания источников света. Первые лампы накаливания были созданы А. Н. Ло­дыгиным (1873), а первые дуговые лампы — П. Н. Яблочковым (1876). Важнейшими характеристиками источника света являются спектраль­ный состав его излучения и световая отдача, равная отношению све­тового потока к мощности, потребляемой источником света. Световая отдача выражается в люменах на ватт (лм/Вт).

В настоящее время применяются лампы накаливания с вольфра­мовой нитью. Применение вольфрама для изготовления нитей обус­ловлено двумя

причинами. Во-первых, его тугоплавкостью и большой стойкостью по отношению к распылению при высоких температурах нагрева. Во-вторых, селективностью его теплового излучения: доля энергии, приходящейся на излучение видимого света, у вольфрама значительно больше, чем у абсолютно черного тела, нагретого до той же температуры. Поэтому световая отдача у вольфрамовой нити зна­чительно больше, чем у абсолютно черного тела.

В вакуумных лампах с вольфрамовой нитью температура нагрева нити не должна превосходить 2500 К, так как иначе лампа быстро выходит из строя из-за распыления нити. При этой температуре максимум испускания соответствует длине волны в 1100 нм, т. е. находится в области инфракрасного излучения. Поэтому для повы­шения световой отдачи лампы и приближения спектрального состава ее света к спектральному составу дневного света (Х_максл;550 нм) необходимо увеличить температуру накала нити. Это удалось сделать при заполнении лампы инертным газом (аргоном или смесью криптона и ксенона с добавлением азота), присутствие которого уменьшает скорость распыления вольфрама. В газополных лампах температура нити может превосходить 3000 К. Однако световая отдача этих ламп с прямолинейной нитью оказалась такой же, как у вакуумных ламп, имеющих меньшую температуру накала, что связано с дополнитель­ными потерями энергии вследствие значительного теплообмена между нитью и газом, циркулирующим в колбе лампы. Для уменьшения этого эффекта и повышения световой отдачи газополных ламп в них устанавливают нити, имеющие вид спирали или двойной спирали (би-спирали) с небольшим значением шага. Вблизи такой спирали обра­зуется слой газа, который почти не движется, так что теплообмен между нитью и газом осуществляется только путем теплопроводности.

Энергетический коэффициент полезного действия современных ламп накаливания не превосходит 5%, т. е. не более 5% энергии, за­трачиваемой в лампе, излучается ею в форме видимого света. Люми­несцентные источники света обладают в 2—3 раза большим к.п.д.

А. А. ДЕТЛАФ, Б. M. ЯВОРСКИЙ

в трех томах)

ТОМ III

ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ. ОПТИКА. АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Издание третье, переработанное и дополненное

Допущено

Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов втузов

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА 1979

1 Соотношение (10.16) выполняется также при любых значениях v/T, если f(ylT)=(vlT)~³. Однако в этом случае Гу=\³(\/Т)~³=Т³, т. е. не зависит от ча­стоты v, что противоречит данным опытов.

2 Универсальность постоянной h следует из того, что функция Вина f(y/T) в

3выражении (10.15') не зависит от материала, из которого изготовлено абсолютно

4выражении (10.15') не зависит от материала, из которого изготовлено абсолютно

5выражении (10.15') не зависит от материала, из которого изготовлено абсолютно

6выражении (10.15') не зависит от материала, из которого изготовлено абсолютно

7черное тело.