«Пирометрия: Практическое руководство по измерению высоких температур»

ГЛАВА V РАДИАЦИОННЫЕ ПИРОМЕТРЫ

Общие принципы. Общеизвестно, что тепло, излучаемое веществом, увеличивается по мере повышения его температуры; и было бы очевидным преимуществом, если бы температуру горячего тела можно было вывести из интенсивности его излучения, так как измерение можно было бы проводить на расстоянии, без необходимости приведения пирометра в контакт с нагретым веществом. При температурах выше 1000° C, когда возникают трудности либо с металлами, либо с защитными оболочками термоэлектрических пирометров или пирометров сопротивления, преимущество стало бы более заметным по мере повышения температуры. Краткий обзор наших знаний о соотношениях между лучистой энергией и температурой укажет, как может быть достигнута эта желаемая цель.

Любое вещество при температуре выше абсолютного нуля (-273° C) излучает энергию в окружающую среду с помощью эфирных волн. Ниже 400° C эти волны не производят впечатления на сетчатку глаза, и излучающее тело поэтому невидимо в темной комнате. Однако выше 400° C излучается часть видимых волн; и по мере повышения температуры воздействие на сетчатку усиливается, и тело становится ярче. Разница между невидимыми и видимыми волнами заключается лишь в длине волны, причем более короткие волны видимы для глаза; и те, и другие представляют собой лучистую энергию. Помимо излучения лучистой энергии, вещество получает волны из окружающей среды, которые оно поглощает в большей или меньшей степени и которые при поглощении имеют тенденцию повышать температуру принимающего вещества. Множество предметов в комнате, находящихся при одной и той же температуре, поэтому излучают энергию друг другу, и равенство температур устанавливается, когда каждый объект получает из окружающей среды количество энергии, равное тому, которое он излучает. Горячее вещество излучает больше энергии, чем холодное; так, если подвесить горячий железный шар в комнате, он будет излучать в окружающую среду больше энергии, чем получает от нее, и поэтому будет остывать до тех пор, пока исходящая энергия не уравновесится входящей, когда его температура станет равной температуре других объектов в комнате.

Скорость, с которой вещество излучает или поглощает лучистую энергию, зависит от природы его поверхности. Шероховатая черная поверхность, такую как можно получить, подержав предмет в дыму от горящей камфоры, излучает и поглощает тепло свободнее, чем любая другая; тогда как полированная металлическая поверхность, которая действует как отражатель, является худшей из всех в этих отношениях. Однако даже поверхность из мелкодисперсной сажи не полностью поглощает все падающие на нее излучения, а проявляет небольшую степень отражения. «Абсолютно черная поверхность», если бы такую можно было найти, была бы полностью лишена отражательной способности и поглощала бы всю падающую на нее лучистую энергию; и, наоборот, излучала бы всю энергию, достигающую ее с нижней стороны, не отражая ничего обратно и не позволяя ей проходить сквозь нее так, как световые волны проходят через прозрачное вещество. Такой идеальной поверхности не известно; но, как показал Кирхгоф, можно создать излучающее устройство, которое даст тот же численный результат для излучаемой энергии, который был бы получен идеальной поверхностью при той же температуре. Такое устройство называется «абсолютно черным телом», а излучения от него обозначаются как «излучения абсолютно черного тела».

Рис. 42. Излучения абсолютно черного тела.

Любая полость, если она непрозрачна для лучистой энергии и поддерживается при постоянной температуре, представляет собой абсолютно черное тело, а излучения, получаемые изнутри через небольшое отверстие в стенке, являются излучениями абсолютно черного тела. На рис. 42 представлена такая полость; в которой, чтобы показать применение к пирометрии, тело A указано напротив отверстия в стенке, через которое излучения выходят с поверхности A. Если бы эта поверхность была «идеальной», все волны, падающие на нее, полностью поглощались бы и полностью излучались; но для предотвращения изменения температуры излучаемая энергия должна уравновешивать полученную энергию. Если, с другой стороны, поверхность A была бы полированным металлом, волны, падающие на нее со стенок полости, в основном отражались бы; но здесь снова энергия, покидающая поверхность, должна быть равна количеству полученной, если температура постоянна. Следовательно, если не происходит изменения температуры, энергия, покидающая поверхность A, не зависит от природы этой поверхности; и количество, выходящее через отверстие, будет поэтому одинаковым, независимо от характера поверхности напротив отверстия. При хорошей излучающей поверхности лучи из полости будут сначала поглощены, а затем излучены через отверстие; в случае плохой излучающей поверхности лучи будут непосредственно отражены через отверстие; общая энергия, выходящая наружу, будет одинаковой в обоих случаях. Позже будет видно, что радиационные пирометры основаны на излучениях абсолютно черного тела; и важно отметить, что рассматриваемое устройство реализуется в печи при постоянной температуре, в которой A может представлять такой объект, как стальной блок. Таким образом, получается, что условие идеального излучения достигается приборами, используемыми в повседневной практике; и, более того, излучения абсолютно черного тела всегда можно получить, поместив трубку, закрытую с одного конца, в нагретое пространство и принимая излучения через открытый конец; ибо это снова представляет собой полость при постоянной температуре. Аналогично, излучения от твердого тела внутри трубки электрической печи, показанной на рис. 29, будут того же описания, и мы поэтому можем с точностью применять любой прибор, основанный на излучениях абсолютно черного тела, зная, что то же самое может быть легко реализовано на практике.

Закон, связывающий энергию, излучаемую веществом при заданных условиях, с его температурой, по-разному формулировался различными наблюдателями, пока Стефан в 1879 году не вывел истинное соотношение из определенных экспериментальных данных, полученных Тиндалем. Стефан пришел к выводу, что цифры, приведенные Тиндалем, указывают на то, что энергия, излучаемая данным твердым телом, изменяется как четвертая степень его абсолютной температуры. Многочисленные эксперименты при различных условиях показали, что закон четвертой степени не применим ко всем видам поверхностей или обстоятельствам; но сильное подтверждение его истинности при применении к излучениям абсолютно черного тела было получено в 1884 году, когда Больцман показал из термодинамических соображений, что количество энергии, излучаемой за данное время идеальным излучателем, должно изменяться как четвертая степень его абсолютной термодинамической температуры. Определенные допущения, сделанные Больцманом в этом исследовании, были впоследствии оправданы экспериментом; и многочисленные тесты в условиях абсолютно черного тела с тех пор полностью подтвердили закон. Именно на законе Стефана-Больцмана основаны радиационные пирометры; энергия, получаемая путем излучения от нагретого вещества в условиях абсолютно черного тела, измеряется прибором и пересчитывается в соответствующие температуры на его шкале.

Выраженный в символах, закон четвертой степени принимает вид —

E = K(T1^4 - T2^4),

где E — общая излучаемая энергия; T1 — абсолютная температура абсолютно черного тела; T2 — абсолютная температура принимающего вещества, а K — постоянная, зависящая от выбранных единиц. Если E выразить в ваттах на квадратный сантиметр, значение K равно 5,6 × 10^-12; если в калориях на квадратный сантиметр в секунду, значение равно 1,34 × 10^-12. Введение температуры принимающего вещества T2 становится необходимым из-за того факта, упомянутого ранее, что энергия будет излучаться обратно на горячее тело, и чистая потеря энергии, очевидно, будет разницей между тем, что покидает его, и тем, что возвращается к нему от принимающего вещества. Если бы T2 был абсолютным нулем, энергия, покидающая абсолютно черное тело, была бы K(T1)^4; тогда как если бы T2 был равен T1, потеря энергии была бы равна нулю, так как вещество не может остывать путем излучения до температуры ниже температуры окружающей среды. Температуры T1 и T2 относятся к термодинамической шкале (стр. 9), но поскольку газовая шкала практически идентична, можно использовать градусы Цельсия, измеренные от абсолютного нуля, или -273°. Ниже приведен пример для иллюстрации применения закона: —

Пример. Сравнить энергию, излучаемую через отверстие в стенке печи при температурах 527°, 727° и 927° C соответственно, в окружающую среду при 27° C.

Количества будут как

K (800^4 - 300^4) : K (1000^4 - 300^4) : K (1200^4 - 300^4).

поскольку к каждой температуре нужно прибавить 273 для перевода в абсолютные градусы. Разделив каждое на K и раскрыв в каждом случае, отношение становится

(4096 - 81) × 10^8 : (10000 - 81) × 10^8 : (20736 - 81) × 10^8.

Разделив каждое на 10^8 и вычтя, получаем результат

4015 : 9919 : 20655, или 1 : 2,47 : 5,12.

В приведенном выше примере следует отметить, что влияние температуры окружающей среды, принятой за 27° C, по величине мало и становится пропорционально меньше по мере повышения температуры печи. Если бы T2 не учитывался в расчете, количества излучаемой энергии выглядели бы как

1 : 2,44 : 5,06.

Позже будет видно, что при расчете температурной шкалы радиационного пирометра температура окружающей среды по этой причине не принимается во внимание. Рис. 43 является графической иллюстрацией закона четвертой степени.

Рис. 43. Энергия, излучаемая абсолютно черным телом при различных температурах.

Когда известна связь между температурой и количеством излучаемой энергии, любой прибор, который будет указывать количество получаемого им излучения, может быть использован для измерения температур. Луч, например, может быть сфокусирован на термопаре, которая будет нагреваться пропорционально количеству падающей на нее энергии, и при подключении к милливольтметру вызовет отклонения, пропорциональные получаемой ею энергии. Вместо термопары можно использовать тонкую металлическую полоску, и путем измерения ее сопротивления можно вывести тепловой эффект излучения, а следовательно, и его количество. Третий метод заключался бы в фокусировке лучей на составную полоску из двух металлов, которая, изменяя форму, могла бы служить ключом к количеству полученной ею энергии. Теоретически достаточно позволить излучениям падать на рабочую часть любого прибора для измерения низких температур, когда возникшее повышение температуры можно принять пропорциональным полученной энергии, а тепловое состояние излучающего тела вывести из закона четвертой степени. Однако на практике желательно, чтобы принимающий термометр был небольшого размера; обладал малой теплоемкостью, чтобы быстро реагировать; и был способен давать чувствительные показания — поэтому обычный ртутный термометр был бы непригоден для этой цели. Термостолбик, помещенный на фиксированном расстоянии, не справился бы из-за того, что холодные спаи постепенно нагревались бы за счет теплопроводности через столбик. Часть, принимающая излучения, должна быть покрыта ламповой сажей, чтобы практически все падающие на нее волны, будь то видимые или невидимые, могли быть поглощены, а представляемая ими энергия использована для создания повышения температуры.

Практические типы радиационных пирометров: приборы Фери. В 1902 году Фери представил пирометр, в котором лучи фокусировались с помощью линзы на маленькую, зачерненную термопару, подобно тому, как лучи солнца могут быть сфокусированы с помощью зажигательной линзы. Термопара была подключена к специальной форме гальванометра д'Арсонваля, который записывал развиваемую Э.Д.С. Принимая показания гальванометра пропорциональными температуре термопары — то есть падающей на нее лучистой энергии — температуру источника можно было рассчитать по закону четвертой степени. Недостатком использования этого прибора был тот факт, что часть лучей поглощалась стеклом, причем эта доля, кроме того, варьировалась при разных температурах, так что закон четвертой степени нельзя было применять с точностью. Использование флюоритовой линзы вместо стеклянной позволило преодолеть эту ошибку, но высокая стоимость хорошей линзы из этого материала сделала ее использование в обычной цеховой практике запретительной из-за цены. Ряд этих пирометров, снабженных стеклянными линзами и откалиброванных путем сравнения со стандартом, обладающим флюоритовой линзой, был выпущен на рынок, но в 1904 году они были вытеснены, когда Фери пришел к плану фокусировки лучей с помощью вогнутого зеркала, тем самым преодолев ошибку из-за поглощения стеклянной линзой. Этот план, который служит превосходно, с тех пор был принят в большинстве радиационных пирометров.

Зеркальный пирометр Фери. Этот прибор показан в продольном и поперечном сечении на рис. 44. Вогнутое зеркало M, имеющее позолоченную отражающую поверхность, помещено на одном конце металлической трубки и закреплено на рейке, которая входит в зацепление с шестерней, приводимой в движение головкой P, так что при вращении P зеркалу сообщается продольное движение. Маленькая, зачерненная термопара, показанная в центре поперечного сечения и состоящая из медного диска, к которому прикреплены проволоки из меди или железа и константана, принимает лучи после отражения и может быть приведена в фокус путем соответствующего перемещения зеркала.

Рис. 44. Зеркальный пирометр Фери. Сечение.

Рис. 45. Зеркальный пирометр Фери. Вид с торца.

Проволоки проходят к клеммам b и b' на внешней стороне трубки, от которых выводы идут к индикатору. Чтобы обнаружить, когда термопара находится в фокусе зеркала, в конце трубки установлен окуляр O, который позволяет видеть термопару в увеличенном виде через отверстие в центре M. С помощью оптического устройства, расположенного рядом с термопарой, изображение наблюдаемого объекта, созданное M, отражается в двух частях к окуляру O. Когда термопара находится точно в фокусе M, вокруг термопары видно круглое изображение; когда она не в фокусе, наблюдается картина из двух полукругов, не совпадающих по бокам. Регулировка заключается в перемещении зеркала до тех пор, пока отдельные полукруги не образуют непрерывный круг; метод одновременно простой и определенный. Передний конец пирометра показан на рис. 45, где видно, что вход может быть частично закрыт диафрагмой или оставлен полностью открытым, по мере необходимости. Диафрагма используется для отсечения определенной доли излучений и применяется для очень высоких температур, при которых с полной апертурой стрелка индикатора была бы выведена за пределы шкалы. На индикаторе предусмотрены две отдельные температурные шкалы, одна из которых относится к полной, а другая — к частичной апертуре. Того же результата можно было бы достичь путем включения подходящего сопротивления последовательно с индикатором, но в этом случае термопара могла бы чрезмерно нагреться и, возможно, повредиться при этом. Пропорции пирометра таковы, что при самых высоких измеряемых температурах тепло, падающее на термопару, никогда не нагревает ее выше 110° C. Хотя интенсивность излучений уменьшается как квадрат расстояния, количество, падающее на термопару, в определенных пределах не зависит от расстояния: это проистекает из свойства вогнутых зеркал в отношении связи между размером изображения и расстоянием до объекта, создающего его. Если r = радиус зеркала, u — расстояние до объекта, а v — расстояние до изображения, оба измеренные от центра зеркала, то для вогнутого зеркала справедливо соотношение 1/u + 1/v = 2/r, и когда два из них известны, третье можно рассчитать. Далее, если d — линейный размер объекта, а d1 — его изображения, то также справедливо соотношение d/d1 = u/v, и из этих двух выражений можно определить все пункты, возникающие в связи с пирометром Фери, что лучше всего будет прояснено примерами.

Пример I. Найти положение изображения объекта, сформированного зеркалом радиусом 6 дюймов, при расстоянии до объекта (a) 10 футов, (b) 20 футов.

Переводя в дюймы и применяя формулу

1⁄u + 1⁄v = 2⁄r, 1⁄120 + 1⁄v = 1⁄3

и

1/240 + 1/v = 1/3

откуда значения v равны 3-1/13 дюйма и 3-1/26 дюйма соответственно, разница всего в 1/26 дюйма.

Если бы u было 6 дюймов, v также было бы 6 дюймов; если бы u было бесконечностью, v было бы 3 дюйма. Движение изображения, когда объект приближается к нему с большого расстояния, в рассматриваемом зеркале происходило бы от 3 дюймов до 6 дюймов, и на расстояниях 10 футов и более различалось бы по положению лишь на малые доли дюйма.

Пример II. — Найти площадь изображения круглого отверстия диаметром 1 фут, сформированного зеркалом с радиусом кривизны 6 дюймов, расположенным от отверстия на расстоянии (а) 10 футов; (б) 20 футов.

Поскольку d / d1 = u / v;

то, исходя из результатов Примера I,

12 / d1 = 120 / (3 - 1/13) на расстоянии 10 футов, и

12 / d1 = 240 / (3 - 1/26) на расстоянии 20 футов.

Следовательно, линейные размеры, т.е. диаметры круглых изображений, составят соответственно 0,308 и 0,152 дюйма; а площади — 0,074 и 0,0182 квадратного дюйма. Эти площади соотносятся друг с другом практически как 4 : 1.

То есть площадь изображения уменьшается в размере прямо пропорционально квадрату расстояния до объекта; квадраты расстояний составляют 100 и 400, или соотносятся как 1 : 4; тогда как площади изображений соотносятся как 4 : 1.

Пример III. — Найти для 6-дюймового зеркала и термопары диаметром 1/10 дюйма наибольшее расстояние, на которое можно поместить зеркало от отверстия диаметром 1 фут, чтобы получить изображение не меньше размера термопары.

Из Примера I очевидно, что на любом расстоянии, превышающем 20 футов, положение изображения будет лишь на незначительную и пренебрежимо малую долю превышать 3 дюйма; следовательно, v можно принять равным 3.

Подставляя значения в формулу d / d1 = u / v; и принимая d1 равным диаметру термопары, = 0,1 дюйма,

12 / 0,1 = u / 3, и u = 360 дюймов, или 30 футов.

За пределами этого расстояния изображение было бы меньше термопары. Выводы, которые можно сделать из вышеприведенных примеров: (1) количество энергии, получаемой термопарой, не меняется, при условии, что изображение перекрывает её; и (2) предельное расстояние, на котором можно получить правильное показание, — это расстояние, при котором размер изображения равен размеру термопары. Таким образом, принимая расстояния 10 и 20 футов, как в Примере II; на первом расстоянии энергия, падающая на зеркало, в четыре раза больше, чем на втором; но, с другой стороны, площадь изображения на расстоянии 10 футов в четыре раза больше, чем полученная на расстоянии 20 футов. Следовательно, на большем расстоянии доля изображения, попадающая на термопару, в четыре раза больше, и тот факт, что на зеркало попадает лишь 1/4 часть энергии, таким образом компенсируется. Все отраженные лучи, которые не попадают на термопару, неэффективны и выходят через входное отверстие трубки.

Рис. 46. — Спираль Фери.

Двухшкальная форма прибора, описанная выше, чрезвычайно полезна для общих целей, но когда все контролируемые температуры находятся в пределах одной из шкал, проще и дешевле отказаться от диафрагмы и использовать индикатор, снабженный только одной шкалой. Одношкальный зеркальный пирометр по этой причине чаще используется в промышленных целях; и компания Cambridge and Paul Instrument Company в настоящее время производит поворотный индикатор для использования с полным отверстием, который менее подвержен повреждениям, чем прибор с подвесной катушкой.

Рис. 47. — Спиральный пирометр Фери. Разрез.

«Спиральный» радиационный пирометр Фери. — Этот прибор отличается от предыдущего лишь тем, что лучи фокусируются на небольшой спирали, образованной составной полоской из двух металлов, закрепленной с одного конца и снабженной указателем на свободно движущемся конце (рис. 46). Влияние изменений температуры на эту спираль заставляет её скручиваться или раскручиваться в зависимости от того, повышается или понижается температура. Это движение увеличивается указателем, конец которого перемещается по шкале, градуированной для прямого считывания температур. Это устройство показано в разрезе на рис. 47, где C — зеркало, E — окуляр, S — спираль, P — указатель, а D — шкала, видимая через окно W. Внешний вид аппарата при взгляде спереди показан на рис. 48. Преимущество использования спирали заключается в том, что прибор является автономным, гальванометр не требуется; но, с другой стороны, показания не столь точны, при температурах выше 1000° C возможна погрешность в 20° C. При использовании этого пирометра замечено, что после фокусировки на горячем веществе указатель некоторое время быстро движется, а затем останавливается, после чего снова начинает медленно ползти по шкале. Температура, указанная в момент остановки, обычно принимается за показание, но это не всегда верно.

Рис. 48. — Спиральный пирометр Фери. Вид спереди.

Медленное движение, вероятно, связано с тем, что весь прибор и воздух внутри него нагреваются входящими лучами и близостью к горячему источнику. В ряде испытаний, проведенных автором, было замечено, что когда прибору давали постоять рядом с печью некоторое время перед использованием, тем самым достигая температуры, существующей в окрестности, «ползучесть» почти полностью исчезала. Учитывая все обстоятельства, спиральную форму пирометра Фери следует считать более портативной, но менее точной, чем ту, в которой лучи принимаются на термопару.

Радиационный пирометр с фиксированным фокусом Фостера. — Необходимость фокусировки, общая для всех радиационных пирометров Фери, устранена в пирометре Фостера, который, однако, нельзя использовать с такого большого расстояния. Принцип, заложенный в пирометре с фиксированным фокусом, заключается в том, что количество энергии, получаемой вогнутым зеркалом и фокусируемой на термопаре, не будет меняться до тех пор, пока площадь поверхности, посылающей лучи на зеркало через фиксированное отверстие, увеличивается пропорционально квадрату расстояния. Это станет понятно из рис. 49, на котором C — зеркало, D — термопара, закрепленная так, чтобы находиться в фокусе отверстия E F, а A B — нагретая поверхность. Линии, соединяющие E и F с краем зеркала, пересекаются в точке G, и при условии, что линии G E и G F, если их продолжить, попадают на нагретую поверхность A B, количество энергии, падающей на D, всегда будет одинаковым. Поперечное сечение конуса G A B представляет собой круг; и если A B находится в два раза дальше от G, чем E F, площади кругов, диаметрами которых являются A B и E F, будут находиться в соотношении 4 : 1. Но поскольку A B находится в два раза дальше от G, чем E F, интенсивность его излучения будет как 1 : 4; и, следовательно, потеря излучательной способности точно компенсируется увеличением площади.

Рис. 49. — Принцип работы радиационного пирометра с фиксированным фокусом Фостера.

В реальном приборе трубка, в которой помещено зеркало, изнутри зачернена, так что никакие лучи не попадают на зеркало путем отражения от неё. Диаметры отверстия E F и зеркала C таковы, что перпендикуляр из G на A B в десять раз превышает длину A B. Следовательно, если нагретый объект имеет диаметр 6 дюймов, предельное расстояние G составляет 10 × 6 = 60 дюймов. Положение точки G обозначено кольцом на внешней стороне трубки, и при выполнении измерения трубку подносят на расстояние, значительно меньшее предписанного, которое во всех случаях в десять раз превышает диаметр нагретого объекта. Температуры считываются с гальванометра, подключенного к термопаре, при этом вся конструкция является портативной, как показано на рис. 50 и 51, на которых представлен прибор в процессе использования.

Рис. 50. — Пирометр Фостера, установленный на штативе.

Преимуществами использования прибора с фиксированным фокусом являются простота и дешевизна; но, поскольку на практике часто возникает необходимость фокусировки на объекте, пирометр Фостера следует рассматривать как упрощенный аппарат, не способный к более широкому применению, чем приборы Фери, но очень полезный во многих случаях. Уиппл недавно адаптировал спиральный пирометр Фери для создания прибора с фиксированным фокусом, прикрепив его к шамотной трубке, на закрытом конце которой пирометр постоянно сфокусирован. Эта форма особенно полезна для определения температуры расплавленных металлов, в которые погружается конец шамотной трубки, что обеспечивает истинные условия абсолютно черного тела.

Рис. 51. — Пирометр Фостера в процессе использования.

Радиационный пирометр Пола. — Твинг в Америке представил радиационный пирометр, в котором лучи из печи входят в широкий конец конуса и путем внутреннего отражения направляются к вершине, где расположена термопара. Пол в этой стране выпустил на рынок аналогичный прибор, действие которого показано на рис. 52, где E — трубка, содержащая полированный конус C, на вершине которого закреплена термопара T. Лучи от горячего источника A A' входят в трубку в D и проходят в конус, в конечном итоге отражаясь на T, которая подключена к индикатору. До тех пор, пока линии, соединяющие внешнюю часть конуса с краями входа D, пересекающиеся в O, попадают на горячий источник A A', показания будут одинаковыми на всех расстояниях. Рис. 53 показывает сам пирометр, установленный на штативе.

Рис. 52. — Принцип работы радиационного пирометра Пола.

Индикаторы для радиационных пирометров. — Когда излучение фокусируется на термопаре, температура которой в результате повышается, развиваемая ЭДС соответствует законам, обсуждавшимся в Главе II, и любой термоэлектрический индикатор, если он достаточно чувствителен, подойдет для целей радиационного пирометра. На воздействие на гальванометр влияют: (1) природа термопары; (2) размер зеркала или конуса; и (3) максимальная температура, достигаемая термопарой. Индикаторы, используемые в сочетании с радиационными пирометрами, относятся к поворотному типу, который теперь можно сделать достаточно чувствительным, чтобы обеспечить полное отклонение шкалы при повышении температуры термопары на 100° C. Для самой термопары использовался сплав Хейля (цинк и сурьма в атомных пропорциях) в паре с константаном из-за высокой развиваемой ЭДС; но были отмечены случаи ухудшения свойств этого сплава, что заставило некоторых производителей заменить его железом. Две железно-константановые или медно-константановые термопары, соединенные последовательно, дают ЭДС при повышении температуры на 100° C, достаточную для работы поворотного индикатора, и они предпочтительнее пары Хейля для радиационного пирометра.

Рис. 53. — Радиационный пирометр Пола.

Калибровка индикаторов для радиационных пирометров. — Отклонения на индикаторах обусловлены генерируемой ЭДС, которая пропорциональна разности температур между горячим и холодным спаями. Если оба они находятся при одной и той же температуре — скажем, 20° C — отклонение равно нулю; а при попадании излучения на горячий спай его температура повышается на величину, зависящую от интенсивности излучения — скажем, до 90° C. Полученное отклонение обусловлено разностью (90 - 20) = 70°, так как излучение повысило температуру горячего спая на 70° выше температуры окружающей среды. Если бы окружающая среда (включая холодный спай или спаи) изначально была при 15°, горячий спай при тех же условиях поднялся бы до 85°, снова давая разность в 70° и, таким образом, вызывая то же отклонение, что и раньше. При условии, что оба спая расположены так, чтобы достигать одинаковой атмосферной температуры в отсутствие излучения, заданное количество энергии, падающее на горячий спай, всегда будет вызывать в нем одинаковую избыточную температуру и, следовательно, всегда будет приводить к одинаковому отклонению при всех обычных атмосферных температурах. Поскольку спаи в радиационных пирометрах расположены так, чтобы выполнять это условие, коррекция на колебания температуры холодных спаев не требуется. Таким образом, отклонения соответствуют избыточным температурам горячего спая, которые, в свою очередь, прямо пропорциональны энергии, полученной спаем. Показания в милливольтах на индикаторе, таким образом, напрямую представляют доли энергии, полученной горячим спаем: 4 милливольта соответствуют удвоенной энергии, которая дает 2 милливольта, и так далее; следовательно, милливольтовая шкала становится энергетической шкалой.

Чтобы перевести энергию в соответствующие температуры, необходимо применить закон четвертой степени. Если E1 соответствует абсолютной температуре T1 абсолютно черного тела, от которого получено излучение, а E2 соответствует другой температуре T2, будут справедливы следующие соотношения:

E1 = K (T1^4 - x^4), и E2 = K(T2^4 - x^4),

где x — температура окружающей среды, принимающей излучение. Как указывалось ранее (см. Пример на стр. 140), членом x^4 можно пренебречь для диапазона высоких температур, измеряемых радиационным пирометром, следовательно, E1 = K T1^4 и E2 = K T2^4; и, следовательно, E1 / E2 = T1^4 / T2^4. Но, как показано выше, показания в милливольтах на индикаторе прямо пропорциональны полученной энергии, и если R1 и R2 = милливольты, обусловленные E1 и E2, то получается соотношение R1 / R2 = T1^4 / T2^4.

Чтобы составить температурную шкалу на основе этого соотношения, необходимо сделать одно правильное показание при известной температуре, после чего остальную часть шкалы можно разметить путем расчета, как показано в прилагаемом примере:—

Пример. — Трубка, закрытая с одного конца, находится при 927° C (1200° абс.) и дает отклонение, соответствующее 2 милливольтам на индикаторе. Найти температуры, которые дали бы отклонения, соответствующие 1, 3, 4 и 5 милливольтам.

Рассматривая случай 1 милливольта и применяя формулу

R1 / R2 = T1^4 / T2^4; 2 / 1 = 1200^4 / T2^4

откуда T2^4 = 1200^4 / 2 и T2 = 1009° абс. = 736° C. Аналогично, 3 милливольта представляют 1055° C; 4 милливольта = 1154° C; и 5 милливольт = 1236° C. Эти значения легко получаются с помощью четырехзначных логарифмов.

Рассчитав температуру, соответствующую каждому целому милливольту, можно построить кривую зависимости милливольт от соответствующих температур и вывести из неё промежуточные значения. Очевидно, что эталонное показание должно быть снято с большой точностью, так как вся шкала зависит от него; и для этой цели можно использовать точный пирометр сопротивления или термоэлектрический пирометр, помещенный внутрь трубки электрической печи, а радиационный пирометр навести на тонкий лист железа, помещенный прямо перед открытым спаем. Необходима проверка по более высоким показаниям шкалы, так как точное соблюдение закона четвертой степени на практике достигается редко. Это можно сделать таким же образом, поскольку термопары теперь можно калибровать непосредственно по газовой шкале до 1550° C, что позволяет перенести показания газовой шкалы на радиационный пирометр. Для точных показаний в заданном диапазоне шкала зеркального гальванометра может быть откалибрована таким образом, при условии, что предварительно добавлено достаточное сопротивление последовательно, чтобы гарантировать, что при самой высокой используемой температуре световое пятно останется на шкале.

Рис. 54. — Запись, полученная с помощью радиационного пирометра.

Регистрирующие приборы для радиационных пирометров. — Любой из термоэлектрических самописцев, описанных в Главе II, может быть применен к радиационным пирометрам, при этом диаграмма должна быть соответствующим образом разделена в соответствии с законом четвертой степени. При выполнении записи пирометр закрепляется на штативе или кронштейне и фокусируется на нужном участке. Рис. 54 является примером записи, сделанной с помощью ниточного самописца и пирометра Фери, на которой можно заметить деление температурной шкалы в соответствии с законом четвертой степени. Можно организовать работу так, чтобы рабочая температура находилась на открытой части шкалы, отрегулировав чувствительность гальванометра соответствующим образом перед калибровкой.

Эксплуатация радиационных пирометров. — Не рекомендуется доверять радиационный пирометр неквалифицированному наблюдателю, так как для получения хороших результатов требуется разумный контроль. Необходимо следить за тем, чтобы стрелка гальванометра была установлена на ноль перед снятием показаний, и стрелка всегда должна быть заблокирована во время транспортировки. При фокусировке на объект в печи необходимо убедиться, что видимое красное изображение действительно является изображением объекта, что можно сделать, перемещая пирометр до тех пор, пока сторона объекта или какая-либо особая деталь не станет видна в окуляре, после чего пирометр можно перемещать до тех пор, пока изображение не окружит спай. Могут возникнуть случаи, например, при измерении температуры различных зон вращающейся цементной печи или другой печи, когда требуется сфокусировать зеркало на определенное расстояние; в этом случае автор принял план установки фиксированного указателя напротив головки с накаткой, которая управляет зеркалом (P, рис. 44), и фокусировки на перекладинах окна на измеренных расстояниях, отмечая их на головке с накаткой напротив указателя; было бы удобно, если бы все радиационные пирометры были так размечены изначально. Хорошей проверкой правильности фокусировки в случае нагретого объекта является изменение фокуса в обоих направлениях и окончательная регулировка на максимальное показание, которое должно соответствовать истинному фокусу.

Следует проявлять большую осторожность, чтобы не повредить зеркало. Если в мастерской поверхность покрылась грязью, её следует удалить осторожной чисткой кистью из верблюжьей шерсти или продувкой зеркала воздухом. Устройство фокусировки никогда не должно подвергаться нагрузке за пределами своих рабочих пределов; когда они достигнуты, пирометр следует переместить целиком, пока объект не будет правильно наведен в пределах обычных пределов перемещения головки с накаткой. Если между печью и пирометром попадают металлические пары или густой дым, излучение будет затруднено, и записанная температура будет слишком низкой; в таких случаях пирометр следует поместить у открытого конца трубки и навести на закрытый конец, который должен заканчиваться в точке наблюдения.

Во всех случаях необходимо помнить, что показания применимы только к условиям абсолютно черного тела. Если блок стали навести внутри печи, а затем вынуть наружу и снова навести, внешнее показание будет намного меньше внутреннего из-за худшей излучательной способности поверхности, которая теперь не получает помощи от печи. Поэтому все показания следует снимать, пока объект еще находится в печи, или (как при измерении температуры расплавленного металла в ковше) можно использовать шамотную трубку с закрытым концом, вставленную в массу, и снимать показания через открытый конец. Иногда делаются заявления, что разница между внешними показаниями и показаниями абсолютно черного тела постоянна для данной поверхности и что одно можно перевести в другое; но это верно только для неизменных поверхностей, таких как платина, и редко применимо к обычным рабочим поверхностям. Поскольку условия абсолютно черного тела так легко обеспечить, проще и безопаснее всегда организовывать снятие показаний в таких условиях, а не доверять соотношению, которое редко бывает постоянным на практике.

При использовании радиационного пирометра для нескольких печей в каждую из них можно вставить шамотные трубки, закрытые с одного конца, так чтобы закрытый конец заканчивался в рабочей точке, а открытый конец оставался заподлицо с внешней стороной печи. Диаметр таких трубок будет зависеть от длины, а также от марки пирометра; во всех случаях изображение закрытого конца должно быть достаточно большим, чтобы перекрывать принимающий спай или спираль. Информацию по этому вопросу всегда можно получить у производителей или выяснить путем проб с отверстиями известного диаметра. При использовании пирометра для получения температур внутри трубки электрической печи, такой как показана на рис. 29, твердый объект, такой как короткий шамотный цилиндр или кусок графита, должен быть помещен в середину трубки и сфокусирован на спай.

Специальные применения радиационных пирометров. — Для регулярного использования при температурах выше 1000° C или 1850° F радиационный пирометр окажется более полезным, чем приборы термоэлектрического или резистивного типа, так как последние подвергаются разрушению из-за постоянного воздействия печных газов, что становится более заметным по мере повышения температуры. Примерами промышленных процессов, в которых значительно превышается 1000° C, являются производство стекла, керамики и цемента, обработка специальных сталей, а также литье металлов и сплавов. Даже для температур от 750° до 1000° C можно использовать радиационный пирометр, но он не так удобен для этого диапазона, как термоэлектрический прибор. Верхнего предела для прибора не существует, его можно откалибровать по закону четвертой степени до самой высокой достижимой температуры — температуры электрической дуги, которая была определена как 3720° C с помощью радиационного пирометра Фери. Таким образом, измерения можно проводить за пределами пределов термопар, например, температуру электрических печей и термита в форме, а также расплавленной стали перед разливкой, что открывает возможность точного контроля при экстремально высоких температурах. Однако всегда существует опасность чрезмерного нагрева холодного спая при нахождении рядом с большими массами при очень высоких температурах, и по этой причине могут возникнуть серьезные ошибки. Можно привести два примера, иллюстрирующих полезность радиационного пирометра на практике: (1) закалка стальных снарядов; и (2) определение температуры зоны спекания во вращающейся цементной печи. В (1) снаряд подносится к определенной точке у края печи, где он находится в фокусе радиационного пирометра, и при достижении заданной температуры выгребается из печи и падает в масляную ванну. Было обнаружено, что разница в 10° C от стандартной температуры, при которой следует закаливать снаряды, может вызвать серьезное снижение пробивной способности готового снаряда; и поэтому радиационный пирометр, который можно легко навести на каждый отдельный снаряд, лучше всего использовать для этой цели. В (2) самую горячую точку можно найти, фокусируя пирометр на разные расстояния вдоль печи, и, делая запись, можно обнаружить любое падение температуры из-за дефекта подачи угля или воздуха, или из-за чрезмерной подачи сырья, что дает информацию, на основе которой процесс можно регулировать с наибольшей выгодой. При температурах, преобладающих в таких печах — от 1300° до 1450° C, или от 2370° до 2640° F, в зависимости от типа печи — радиационный пирометр Фери вполне чувствителен к изменениям на 10° C или 18° F, и автор нашел его полностью удовлетворительным в этом отношении. Адаптируемость радиационных пирометров ко всем температурам выше красного каления в сочетании с отсутствием износа делает эти приборы очень ценными, а возможность получения записей является дополнительной рекомендацией. Однако радиационный метод не подходит для целей установки, так как даже если бы зеркала и спаи можно было сконструировать идентичными, устройство было бы очень дорогостоящим. Дешевая адаптация радиационного принципа, с помощью которой можно было бы управлять рядом печей, например, комплектом цементных печей, из одного центра, была бы большим преимуществом и еще больше увеличила бы общую полезность этого класса пирометров.

ГЛАВА VI ОПТИЧЕСКИЕ ПИРОМЕТРЫ

Общие принципы. — Когда твердое тело нагревается до 450° C, оно начинает испускать световое излучение и в темной комнате кажется тускло-красным. По мере повышения температуры световое излучение становится более интенсивным; цвет меняется на более светлый красный, затем на оранжевый, желтый, белый и, наконец, на ослепительно белый. Были предприняты попытки присвоить температуры определенным цветам, и Пуйе в 1836 году представил таблицу, которая якобы давала связь между цветом и температурой. Следующая таблица, опубликованная Хоу в 1900 году, значительно отличается от таблицы Пуйе, у которого не было точных средств измерения температур, которые он приписывал цветам:—

Description. Temp. Deg. C. Temp. Deg. F

Lowest red visible in darkness 470 878

” ” ” daylight 475 887

Dull red 550 to 625 1022 to 1157

Full cherry 700 1292

Light red 850 1562

Full yellow 950 to 1000 1742 to 1832

Light yellow 1050 1922

White 1150 2108

Если бы все наблюдатели могли точно определять цвета, к которым относятся эти температуры, таблица была бы очень полезна; но на практике любые два человека могут разойтись в суждении на 50° C ниже желтого; а когда достигается белый цвет и становится ослепительным, точное различение невозможно. В то же время квалифицированный рабочий, привыкший закаливать сталь при фиксированной температуре, скажем 850° C, приобретает высокую степень суждения при постоянной практике и может не отклоняться более чем на 20° C при температурах ниже светло-желтого. Однако личностный фактор слишком велик, чтобы суждение о цвете невооруженным глазом можно было считать точным руководством к температуре. Однако довольно близкое приближение можно получить путем сопоставления цветов с подготовленными эталонами, о чем будет сказано позже.

Определение внутренней яркости нагретого вещества фотометрическим методом естественным образом напрашивается как возможный способ определения температур оптическими средствами, и будет обнаружено, что все оптические пирометры, используемые в промышленных целях, основаны на этой процедуре. Закон, связывающий интенсивность всех испускаемых световых волн с температурой для данного твердого тела, приблизительно задается формулой Раша:—

┌ ┐ x

I1 │ T1 │

—— = │ —— │

I2 │ T2 │

└ ┘

где I1 и I2 — интенсивности, соответствующие абсолютным температурам T1 и T2; и показатель степени

25000

x = ——

T1

Следовательно, при 1250° абс. яркость увеличивается в 20-й степени, а при 2500° абс. — в 10-й степени температуры. Это быстрое увеличение яркости при небольшом повышении температуры позволяет легко наблюдать небольшие приращения; но на практике возникает трудность из-за огромных различий в яркости, проявляемых разными веществами при одной и той же температуре. Например, свет, испускаемый ламповой сеткой накаливания, которая состоит из оксида тория, во много раз больше, чем свет, испускаемый металлом, таким как платина, при той же температуре; и поэтому очевидно, что светимость вещества зависит не только от его температуры, но и от его природы. Однако можно получить показания для любого вещества в терминах абсолютно черного тела; так, если нагретое твердое тело обладает той же внутренней яркостью, что и абсолютно черное тело при температуре T, «кажущаяся» или «чернотельная» температура твердого тела также будет называться T. Все, что это означало бы, — это то, что состояние твердого тела было таковым, что излучаемый свет был равен по интенсивности свету, испускаемому абсолютно черным телом при температуре T; и чтобы получить истинную температуру твердого тела, T необходимо умножить на коэффициент, который выражает отношение его излучательной способности к излучательной способности абсолютно черного тела.

Во всех фотометрических методах используется эталонный свет, который не должен менять яркость и с которым сравнивается свет от источника. В оптических пирометрах не делается попыток измерить освещенность в свечах; все, что необходимо, — это привести эталон и источник к одной степени яркости с помощью соответствующих регулировок. Среди используемых эталонов — электрические лампы с угольной нитью, амил-ацетатные лампы, а для более высоких температур — центр пламени ацетиленовой горелки; каждая из которых способна создавать фиксированную степень яркости при использовании в заданных условиях. Абсолютно черное тело при известных температурах сравнивается с используемым эталоном, что обеспечивает шкалу «чернотельных» температур, к которой могут быть отнесены показания данного источника, как объяснялось в предыдущем абзаце. Однако выше 1000° C свет становится слишком ослепительным, чтобы можно было провести правильное сравнение эталона и источника, и тогда необходимо использовать поглощающие стекла для уменьшения яркости. Любое цветное стекло, взятое наугад, может не уменьшить яркость эталона и источника одинаково; но если использовать монохроматическое стекло — то есть стекло, которое пропускает свет только одной длины волны, — обнаруживается хорошо определенная связь между интенсивностью проходящего света и температурой источника. Поскольку оптические пирометры в большинстве случаев используются для температур выше 1000° C, что предполагает использование такого стекла, необходимо кратко рассмотреть соотношения между длинами волн света и температурой излучающего вещества, которое во всех случаях будет считаться абсолютно черным телом.

Закон Вина. — Когда температура вещества повышается, возникающая повышенная яркость распределяется по всем частям его спектра; и если бы вещество рассматривалось через стеклянную призму, было бы заметно, что каждая часть стала ярче, чем раньше. Принимая луч с длиной волны λ, связь между его интенсивностью и температурой (чернотельного) источника дается формулой Вина:—

J = c1 λ^-5 × e^-(c2 / λT) (1)

где J = энергия, соответствующая длине волны λ; e = основание натуральной системы логарифмов; T = абсолютная (термодинамическая) температура чернотельного источника, а c1 и c2 — константы, значения которых можно найти путем измерения J при двух известных температурах для света известной длины волны. Эксперимент показал, что эта формула верна для длин волн, которые лежат в видимом спектре, но не справедлива для более длинных волн; и модификации уравнения Вина были предложены Планком и другими, которые имеют более широкое применение. Однако для целей оптической пирометрии, использующей красный свет с длиной волны около 65 миллионных долей сантиметра, закон Вина может быть применен с большой точностью; и калибровка, основанная на этом законе, хорошо согласуется со значениями, полученными другими пирометрическими методами.

Формулу Вина можно записать в виде—

log10 J = K1 + K2 (1 / T) (2)

где K1 = (log c1) - (5 log λ) и K2 = c2 (log e / λ). Это упрощенное выражение показывает линейную зависимость между log J и 1 / T; и, следовательно, если известны температуры, соответствующие двум интенсивностям, результаты можно нанести на миллиметровую бумагу в виде прямой линии, соединяющей T и J, из которой можно получить промежуточные или внешние показания температур для любой заданной интенсивности. Другая полезная форма уравнения Вина, относящаяся к отношению двух интенсивностей J1 и J2, выглядит следующим образом:—

c2 log e

log ( J1 ⁄ J2 ) = ─── ( 1 ⁄ T2 - 1 ⁄ T1 ) (3)

λ

где T2 и T1 — абсолютные температуры, соответствующие J2 и J1. Значение c2 равно 1450000, когда λ выражено в миллионных долях сантиметра. Очевидно, что если известны отношение J1 / J2 и значения c2, λ и T2, можно рассчитать T1. Когда λ не известно, как в случае с куском красного стекла, для которого его значение не было определено, два показания при известных температурах установят значение (c2 log e) / λ, после чего все остальные результаты можно рассчитать. Теперь будут приведены примеры, иллюстрирующие применение формулы.

Пример I. — Установлено, что абсолютно черное тело при абсолютной температуре T1 дает вдвое большую интенсивность, чем наблюдаемая при 1200° абс., при этом сравнение проводится с красным стеклом, пропускающим длину волны 65 × 10^-6 см. Найти значение T1.

Подставляя значения в формулу (3)

log 2 = (1450000 / 65) log 2,7183 × (1 / 1200 - 1 / T1)

и

0,3010 = (1450000 × 0,4343 / 65) × (1 / 1200 - 1 / T1)

откуда T1 = 1237° абс.

Пример II. — Интенсивность излучения абсолютно черного тела при 2000° абс. оказалась равной интенсивности от заданного эталона, принятого за единицу. Найти интенсивность при 3000 абс. по сравнению с тем же эталоном. λ = 65 × 10^-6 см.

Применяя (3), как и раньше,

log (J1 / 1) = (1450000 × 0,43435 / 65) × (1 / 2000 - 1 / 3000)

откуда log J1 = 1,615, и J1 = 14,5.

При применении закона Вина к калибровке прибора, в котором интенсивность источника можно измерить фотометрически по отношению к эталону, можно использовать электрическую печь (рис. 29) с куском железа в центре, покрытым оксидом, который дает чернотельное излучение. Термоэлектрический пирометр в контакте с оксидом можно использовать для измерения стандартных температур, а яркости затем можно сравнить с яркостью амил-ацетатной или другой лампы, дающей пламя постоянной светимости. Температуры, соответствующие другим интенсивностям, можно затем вывести путем расчета, как было показано ранее.

Практические формы оптических пирометров. — Инструменты, используемые на практике, делятся на следующие группы:—

1. Эталонный свет постоянен, а интенсивность света от источника варьируется в приборе до тех пор, пока не станет равной эталонной. (Фери, Ле Шателье, Ваннер и Кембридж.)

2. Эталон варьируется до тех пор, пока не станет равным источнику, интенсивность которого может быть уменьшена, если она превышает интенсивность эталона. (Хольборн-Курльбаум, производится в коммерческой форме компанией Сименс.)

3. Цвет источника сопоставляется с эталонным цветом, подобранным в соответствии с тем, который получен в данной операции (Ловибонд); или источник может быть заставлен производить эталонный цвет с помощью поляризационного устройства (Мезуре и Нуэль); или цвет источника гасится подходящими поглотителями (различные формы).

Далее будут описаны примеры каждого типа.

Рис. 55. — Оптический пирометр Фери. Разрез.

Рис. 56. — Оптический пирометр Фери. Внешний вид.

Оптический пирометр Фери. — Этот прибор (показанный на рис. 55 и 56) состоит из телескопа, снабженного боковым ответвлением, в котором помещена эталонная лампа E. Свет от E фокусируется на куске прозрачного стекла F, наклоненном под углом 45° к оси телескопа, откуда он отражается в окуляр. Чтобы сделать свет, получаемый от лампы, монохроматическим, между E и зеркалом помещается кусок красного стекла. Телескоп наводится на горячее вещество, лучи от которого проходят через кусок красного стекла D, а затем через два клина из затемненного стекла, которые уменьшают интенсивность в большей или меньшей степени в зависимости от толщины вставленного поглощающего стекла, которая уменьшается путем раздвигания клиньев и увеличивается при обратном движении. После прохождения через клинья свет проходит через наклонное зеркало к окуляру; следовательно, глазу представляется поле, наполовину освещенное эталонной лампой, а наполовину — горячим источником. Регулировка заключается в сдвигании клиньев с помощью винтового механизма до тех пор, пока обе части поля не будут освещены одинаково. Температурная шкала предусмотрена на движущейся части, которая приводит в действие клинья, и выводится по уравнению Вина из толщины вставленных клиньев при достижении равенства. Калибровка осуществляется путем фиксации толщины клиньев, соответствующей двум известным температурам, из чего можно провести прямую линию, соединяющую толщину с обратной величиной абсолютных температур, и составить таблицу, дающую значения T в терминах толщины клиньев. Калибровку можно расширять бесконечно, точность показаний зависит от истинности закона Вина. Оптический пирометр Фери — удобный прибор для периодических измерений высоких температур, сочетающий простоту с портативностью.

Оптический пирометр Ле Шателье. — Этот пирометр был первоначальной формой прибора, в котором температура светящегося источника выводилась путем фотометрического сравнения с эталонным светом; и аппарат Фери, описанный выше, является лишь удобной модификацией оригинала. Вместо клиньев из поглощающего стекла Ле Шателье использовал ирисовую диафрагму для уменьшения количества света, входящего в телескоп; регулировка осуществлялась путем изменения размера отверстия в диафрагме до тех пор, пока яркость источника не совпадала с яркостью эталона. Интенсивность света, получаемого в телескопе, будет меняться пропорционально квадрату диаметра отверстия; и калибровка при двух известных температурах с данным монохроматическим стеклом позволяет рассчитать температурную шкалу, соответствующую диаметру отверстия, по закону Вина. Пирометр Ле Шателье — ценный инструмент для исследовательских работ в лаборатории, но он не так удобен для целей мастерской, как модификация Фери.

Рис. 57. — Пирометр Ваннера. Разрез.

Пирометр Ваннера. — Принцип этого пирометра заключается в сравнении яркости красного луча от эталона с яркостью луча некоторой длины волны, полученного от источника, причем оба луча создаются спектроскопически и поэтому являются истинно монохроматическими. Яркость сравнивается с помощью поляризационного устройства, что приводит к несколько сложному оптическому устройству, которое показано на рис. 57. Свет от эталонной электрической лампы проходит через щель S1, а от горячего источника — через S2. Оба пучка делаются параллельными с помощью ахроматической линзы O1, которая помещена на расстоянии, равном её фокусному расстоянию от щелей. Параллельные пучки диспергируются спектроскопом прямого зрения P; а затем проходят через поляризационную призму R, которая разделяет каждый пучок на два пучка, поляризованных в плоскостях под прямым углом. Бипризма B, помещенная в контакт со второй ахроматической линзой O2, сделана под таким углом, что два поля красного света, поляризованные в плоскостях под прямым углом, одно от источника, а другое от эталона, фокусируются на щели D. Эти поля рассматриваются через анализатор A и приводятся к равной яркости путем вращения анализатора, к которому прикреплена градуированная шкала, при этом температура выводится из угла, на который повернут анализатор. Калибровка осуществляется по закону Вина (уравнение (3) на стр. 172), при этом интенсивности эталона и источника связаны с углом поворота, как указано уравнением J2 / J1 = tan^2 Θ, где J2 и J1 представляют интенсивности источника и эталона соответственно, а Θ = угол поворота. Вводя это значение в уравнение Вина (стр. 172), можно показать, что связь между Θ и T принимает форму log tan Θ = a + b / T, где a и b — константы. Следовательно, если нанести log tan Θ против 1 / T, получается прямая линия, и, таким образом, с помощью нескольких наблюдений при известных температурах можно построить калибровочную кривую, из которой можно получить промежуточные и внешние показания. Фирма Hadfield представила специальную диаграмму, разделенную так, что фактические показания в градусах C можно снимать непосредственно, наблюдая угол Θ. В поставляемом для использования виде температурная шкала подготовлена заранее, так что можно снимать прямые показания.

Поскольку эталонная электрическая лампа будет менять яркость при повторном использовании, должны быть предусмотрены средства для восстановления её до надлежащего значения. Это можно сделать, поместив реостат в цепь лампы и регулируя ток до тех пор, пока яркость, наблюдаемая через пирометр, точно не совпадет с яркостью поверхности матового стекла, освещенной эталонной амил-ацетатной лампой. Пламя этой лампы фактически составляет эталон; но поскольку оно будет раздуваться воздушными потоками при использовании в мастерской, электрическая лампа, питаемая от портативной батареи, приводится к равенству и используется для общих измерений.

Оптический пирометр Кембридж. — Во время недавней войны производство пирометров этого типа было начато компанией Cambridge and Paul Instrument Company. Внешний вид оптического пирометра Кембридж показан на рис. 58, на котором наблюдатель показан использующим прибор, аксессуары которого состоят из 4-вольтового аккумулятора, амперметра и регулируемого сопротивления для регулировки тока через электрическую лампу, используемую для сравнения; и эталонной амил-ацетатной лампы для настройки электрической лампы на правильную яркость. Шкала нанесена на круговой диск, и прямые показания получаются из положения указателя, который вращается вместе с анализатором. Путем вставки монохроматического стекла для затемнения источника диапазон пирометра можно изменить; приборы поставляются в четырех диапазонах: 700°—1400° C; 900°—2000° C; 1200°—2500° C и 1400°—4000° C.

Оптический пирометр Кембридж зарекомендовал себя как полезный прибор в умелых руках и оказался очень полезным в сталелитейной, стекольной и керамической промышленности. Опытные наблюдатели обнаружили, что можно обнаружить разницу в 10° C в области 1900° C. Однако регулировка двух полей до равенства включает суждение, которое варьируется у разных наблюдателей, и на практике рекомендуется поручать снятие всех показаний одному человеку.

Рис. 58. — Оптический пирометр Кембридж.

Пирометр Хольборна-Курльбаума. — В оптических пирометрах, описанных ранее, используется постоянный эталон, а яркость света от источника варьируется до тех пор, пока не будет достигнуто равенство. Идея изменения яркости нити электрической лампы до тех пор, пока её цвет не совпадет с цветом источника, и вывода температуры из тока, потребляемого лампой, принадлежала Морсу, который использовал нить в форме плоской спирали, нагреваемую батареей с ЭДС 40 вольт. Эта спираль была помещена в металлическую трубку и вставлена между глазом и нагретым объектом. Пирометр Хольборна-Курльбаума, производимый компанией Сименс, является усовершенствованием прибора Морса и способен считывать показания в более широком диапазоне. На рис. 59 L — маленькая электрическая лампа с шпилькообразной нитью, как показано в A. Эта лампа помещена в телескоп так, что нить находится в фокусе окуляра и питается от 4-вольтового аккумулятора, последовательно с которым включены реостат R и миллиамперметр M. Нагретый источник фокусируется путем перемещения объектива телескопа, и как лампа, так и источник рассматриваются через красное стекло, помещенное перед окуляром D. Затем реостат R регулируется до тех пор, пока кончик нити не станет неотличимым от фона, который освещается источником. Если лампа слишком яркая, нить будет выглядеть как яркая линия; если тусклее источника — как темная линия; а когда она равна источнику, она сольется с фоном. Когда достигнуто равенство, снимаются показания миллиамперметра, и температура выводится из тока, потребляемого лампой.