Оптическая пирометрия
Для измерения температуры раскаленных, а также самосветящихся тел, удаленных от наблюдателя (например, звезд), используются методыоптической пирометрии. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называютпирометрами. Принцип действия этих приборов основан на использовании зависимости испускательной способности и энергетической светимости тел от температуры. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измерении температуры 
тел, различаютрадиационный, цветовой и яркостный методы.
Рис. 3
Радиационный метод основан на использовании закона Стефана -Больцмана. На рис. 3 приведена схема радиационного пирометра. При измерениях температуры прибор наводят на более или менее отдаленный источник света S при помощи объективаОб, позволяющего получать четкое изображение этого источника на приемникеПр. (В данном случае источником света S служит лампа, питающаяся от трансформатораТр). Резкость изображения контролируется при помощи окуляраОк. В качестве приемника в радиационных пирометрах применяютсятермопары с поглощательной способностью аvT, близкой к единице. Один спай термопары нагревается за счет энергии, поступающей от источникаS, другой выведен на внешнюю часть прибора и находится при комнатной температуре. Температура нагрева приемника и термоток в цепи термопары, измеряемый гальванометромС, зависят от энергетической светимости Rэ исследуемого тела.
Шкала G градуируется как температурная по излучению абсолютно черного тела. Поэтому для произвольного излучателя пирометр позволяет определить лишь так называемуюрадиационную температуру Трад, при которой энергетическая светимость абсолютно черного тела R*э(Трад) равна энергетической светимости Rэ исследуемого тела при егоистинной температуре Т
R*э(Трад) = Rэ(Т) (13)
Найдем связь между радиационной температурой нечерного тела и его истинной температурой. Обозначим через ест отношение энергетических светимостей данного тела Rэ и абсолютно черного тела R*э, взятых при одной и той же температуре. Тогда
Rэ(Т) = αT R*э(Т) (14)
или
R*э(Трад) = αT R*э(Т) (15)
С учетом закона Стефана-Больцмана уравнение (15) можно представить в виде
σT4 рад = αT σT4 (16)
Из уравнения (16) следует связь между истинной Т и радиационной Трад температурами тела
(17)
Так как для нечерных тел αT < 1,истинная температура тела всегда больше радиационной. Величину αT для различных веществ можно найти в специальных справочниках.
2. Цветовой метод основан на использовании закона смещения Вина (рис. 5):
λm = b/T (5)
Этот закон применим не только к абсолютно черным, но и к серым телам, так как распределение энергии в спектре излучения серого тела такое же, как и в спектре черного тела, имеющего ту же температуру. Длину волны λm , на которую приходится максимум испускательной способности серого тела, определяют из спектральной характеристики исследуемого тела. Найденная таким образом температура называетсяцветовой, Тцв. Для серых тел цветовая температура совпадает с истинной. Для тел, сильно отличающихся от серых, понятие цветовой температуры теряет смысл. С помощью цветового метода определяют температуру на поверхности Солнца (Тцв = 6500 К) и звезд.
3. Яркостный метод основан на зависимости энергетической светимости абсолютно черного тела от температуры (формула (3)). В качестве яркостного пирометра обычно используетсяпирометр с исчезающей нитью. В основу действия этого прибора положено сравнение и уравнивание яркости излучения нагретого тела с яркостью откалиброванной нити пирометра в узком спектральном интервале (определение понятия яркости см. [3]).
Схема пирометра с исчезающей нитью приведена на рис. 4. Прибор представляет собой зрительную трубу с подвижными (для регулировки четкости изображения) объективомОб и окуляромОк. Внутри трубы имеются эталонная лампа накаливания Л с дугообразной нитью, расположенной в плоскости изображения исследуемого тела, а также серый светофильтрФ; и темно-красный фильтр Ф1 (λ = 660 нм), которые можно сдвигать при настройке пирометра. В окуляреОк одновременно наблюдается изображение исследуемого тела S и нить лампы Л. Поглощательная способность аvT материала нити лампы Л близка к единице.
Рис. 4
Регулируя ток накала нити Л с помощью реостатаК, мы можем добиться того, что нить перестанет быть видимой, исчезнет на фоне нагретого тела. Это будет иметь место, когда яркости тела и нити для используемой длины волны сравняются. Шкалу гальванометра G предварительно градуируют по абсолютно черному телу, нанося на деления шкалы соответствующие значения температуры.
При одинаковой температуре и определенной длине волны нечерные тела имеют меньшую яркость, чем абсолютно черные. Для таких тел яркостный пирометр измеряет так называемуюяркостную температуру Тярк , при которой яркость абсолютно черного тела Л (при введенном светофильтре Ф2) равна яркости исследуемого телаS при истинной температуре Т. Очевидно, что истинная температура тела Т > Тярк Разность между Т и Тярк зависит от длины волны и температуры, и ее значение для различных веществ можно найти в справочниках.
Дата добавления: 2015-01-21; просмотров: 1728;