Оптическая пирометрия

Оптической пирометрией называется совокупность оптических методов измерения температуры тел, основанных на регистрации их теплового излучения.

Оптическая пирометрия существенно дополняет другие методы измерения температуры, например, с помощью термопар или термосопротивлений. Прежде всего она применяется для определения очень высоких температур, где использование других методов практически невозможно. Существенным преимуществом оптических методов следует считать также возможность определения температуры источников света, удаленных на значительное расстояние. Это относится, например, к измерению температуры Солнца и других звезд.

Законы теплового излучения лежат в основе радиационного, цветового и яркостного методов измерения температуры тел. Такие измерения проводятся с помощью специальных приборов - пирометров.

Радиационный метод основан на законе Стефана-Больцмана. Из формулы (7) следует

(10)

Строго говоря, эта формула непосредственно применима для определения только температуры АЧТ. Для других тел по этой формуле определяется радиационная температура Т_р. При этом пирометром регистрируется энергетическая светимость Е(Т) исследуемого тела. Истинная температура тела находится с использованием коэффициента пропорциональности e(T) между энергетическими светимостями исследуемого тела и АЧТ.

(11)

Значения e(T) индивидуальны для разных тел и приведены в справочниках. Радиационная температура реальных тел всегда меньше истинной температуры.

Цветовой метод позволяет определить температуру на основании закона смещения Вина (9), если известно распределение энергии в спектре исследуемого тела. Для реальных тел, значительно отличающихся от АЧТ, регистрируемая этим методом температура не соответствует действительной и называется цветовой температурой. Переход от цветовой температуры к действительной осуществляется с помощью специальных коэффициентов, указанных в справочниках или определяемых в ходе отдельных экспериментов.

Яркостный метод основан на сравнении яркости излучения исследуемого тела с излучением АЧТ в одном определенном участке спектра (обычно около l =0,660 мкм). Сравнение проводится визуально с помощью пирометра с исчезающей нитью. Рассмотрим более подробно суть этого метода. Устройство пирометра с исчезающей нитью представлено на рис. 4. Прибор представляет собой зрительную трубу с подвижными для фокусировки изображения объективом (Об) и окуляром (Ок). Внутри трубы имеется эталонная лампа накаливания (ЭЛ) с дугообразной или прямой нитью, расположенной в плоскости изображения исследуемого тела, а также серый фильтр (СФ) и темно-красный фильтр (КФ), которые при настройке прибора на резкость могут удаляться из поля зрения. В окуляр одновременно наблюдают наложенные друг на друга изображения исследуемого тела (в нашем случае - нить исследуемой лампы накаливания (ИЛ)) и нить эталонной лампы пирометра (ЭЛ).

Меняя силу тока, проходящего через эталонную лампу с помощью реостата R, добиваются исчезновения изображения ее нити на фоне светящегося исследуемого тела. Это происходит при достижении равенства яркостей ЭЛ и ИЛ. Шкала соответствующего электроизмерительного прибора (амперметра), подключенного к ЭЛ, проградуирована в градусах температуры АЧТ, при которой нить ЭЛ исчезает на фоне его изображения (эта градуировка проводится на заводе-изготовителе пирометра). Таким образом, по показаниям прибора, соответствующим исчезновению изображения нити ЭЛ, можно определить температуру АЧТ, обладающего в данном интервале длин волн той же яркостью, что и исследуемое тело. Для реальных тел определенная таким образом температура называется яркостной температурой Т_я.

Яркостная температура реального тела всегда меньше его истинной температуры, так как АЧТ превосходит другие тела по излучательной способности, а, следовательно, и по яркости при одинаковой температуре. Из определения яркостной температуры следует, что яркость В(l,T) тела при температуре Т равна яркости В^АЧТ(l,T_я) абсолютно черного тела, нагретого до температуры Т_я. То есть:

В(l,T)= В^АЧТ(l,T_я). (12)

Взаимосвязь Т и Т_я можно установить через коэффициент пропорциональности e(l,T) между спектральными излучательными способностями исследуемого тела и АЧТ

(13)

Учитывая прямую пропорциональность между В(l,T) и Е(l,T) тела, можно записать:

. (14)

С другой стороны, учитывая (12) и (5), имеем:

(15)

При температурах до 5000К слагаемое поэтому выражение (15) приближенно можно записать:

(16)

Значения коэффициента e(l,T) для разных тел имеются в справочных таблицах. Эти значения зависят от длины волны и температуры. На практике для нахождения истинной температуры тела вносят поправку по специальной таблице или графику из паспорта пирометра (см. Приложение). В паспорте пирометров в ряде случаев приведены усредненные по температуре значения e(l). Погрешность, вносимая этим усреднением существенно не сказывается на результатах измерения температуры, так как результирующая погрешность в основном обусловлена зависимостью e(l,T) от таких трудно контролируемых параметров состояния поверхности тела, как шероховатость, окисленность и геометрическая форма.

Коэффициенты e(T) и e(l,T), определенные формулами (10) и (13), равны по величине соответствующим поглощательным способностям этого тела a(Т) и a(l,Т) (3), и часто называются степенью черноты тела. Они показывают во сколько раз характеристики тела отличаются от соответствующих характеристик АЧТ.