Принцип измерения яркостной температуры

Тепловое излучение нагретых тел может различными способами использоваться для измерения их температуры. Мы рассмотрим только один из этих способов, имеющий наибольшее техническое распространение.

В основу данного метода положено сравнение яркости нагретого тела с яркостью абсолютно черного тела в этом же спектральном интервале. Пусть имеется черное тело, нагретое до некоторой температуры. На фоне этого на-гретого черного тела расположена нить накала специальной пирометрической лампы. Рассмотрим нить и тело через светофильтр, выделяющий из спектров обоих объектов излучение определенной длины волны. Регулируя ток накала нити лампы, мы можем добиться того, что нить перестанет быть видимой, исчезнет на фоне раскаленного черного тела. Найдем значение тока накала нити при этих условиях.

Выполнив эти операции для нескольких значений температуры черного тела, установим определенное соответствие между значениями температуры черного тела и токами накала нити в момент, когда она исчезает на фоне абсолютно черного тела. Значит, мы прокалибровали в шкале температур яркость нити в зависимости от тока накала. После этого можно уже применять нить лампы, в свою очередь, в качестве термометра. Пусть нам надо измерить температуру какого-то нагретого тела. Поместим прокалиброванную нить на фоне этого тела. Изменяя в ней ток накала, добьемся исчезновение нити. Допустим, что это произошло при каком-то токе. Пользуясь калибровочным графиком, мы можем найти соответствующую использованному току температуру абсолютно черного тела, при котором нить раньше исчезала на фоне этого тела. Если то тело, температуру которого мы определяем, излучает как черное тело, то ясно, что его искомая температура уже нами найдена. Если же оно излучает иначе, чем черное тело, то найденное указанным путем значение температуры нуждается в поправке. Мы нашли лишь так называемую яркостную температуру тела. Яркостная температура тела будет всегда ниже его истинной термодинамической температуры. Это связано с тем, что любое тело излучает меньше, чем абсолютно черное тело при той же температуре. Следовательно, произвольное тело, имеющее в данный момент одинаковую яркость с некоторым черным телом, имеет наверняка термодинамическую температуру вше температуры черного тела, то есть выше той яркостной температуры, которая определяется с помощью нити пирометра, прокалиброванной по излучению абсолютно черного тела.

Связь между яркостной температурой и термодинамической температурой тела устанавливается соотношением:

. (21.22)

Величина , зависящая от длины волны и температур, имеет свое значение для каждого материала и определяется в ходе особого опыта. Для окиси никеля = 0,9. Величина C₁ – комбинация универсальной постоянной Планка, Больцмана и скорости света: 1.438 см/K, – длина световой волны; - термодинамическая температура тела; - яркостная температура тела, непосредственно измеренная пирометром с исчезающей нитью.

Учитывая, что значение близко к значению , мы можем переписать формулу так:

, (21.23)

где означает всегда положительную поправку к измеренной с помощью пирометра яркостной температуре. То есть .

Устройство и работа пирометра с исчезающей нитью. Пусть необходимо измерить температуру раскаленной пластинки. Эта температура измеряется оптическим пирометром. Определение температуры сводится к сравнению цвета и интенсивности излучения раскаленной пластинки с цветом и интенсивностью проградуированного эталона – нити лампочки. Оптическая и электрическая схема пирометра изображена на рис. 21.10.

Рис. 21.10. Измерение температуры пирометром. 1-накаленная пластинка, 2- объектив (l1), 3- поглощающее стекло, 4- пирометрическая лампа, 5- окуляр (l2), 6- красный светофильтр, 7- диафрагма, 8- показывающий прибор, 9- аккумулятор, 10- реостат.

С помощью линзы l₁ (рис. 21.10 (2)) получаем изображение поверхности, температуру которой необходимо измерить, в плоскости нити лампочки. Линза l₂ (рис. 21.10 (5)) служит для увеличения полученного изображения и устанавливается по глазу наблюдателя. При пользовании пирометром сравнение яркости происходит в ограниченной области спектра. Для получения монохроматического луча в трубке окуляра помещены светофильтры. При измерении температур в интервале 800 – 12000 С пользуются красным светофильтром ( =6600 А), в интервале температур 1400 – 20000 С вводят поглощающие стекла с помощью винта (рис. 21.10 (3)).

Гальванометр проградуирован в градусах Цельсия. Шкала прибора градуирована по излучению абсолютно черного тела. Если излучаемое тело не является абсолютно черным, то пирометр показывает температуру такого черного тела, яркость которого одинакова с яркостью данного тела. Величина T называется яркостной температурой данного тела. Если a близко к 1, то яркостная и истинная температура тела практически совпадают.

С помощью реостата изменяют силу тока, протекающего через лампочку (источником тока служит аккумулятор, ЭДС которого 2 – 2,4 В), и добиваются того, чтобы верхняя часть нити лампочки исчезла на фоне исследуемого объекта. После этого по показанию гальванометра определяют температуру.