Всі фізичні тіла, температура яких більше абсолютного нуля, випускають теплові лучі.Тепловое випромінювання - електромагнітне випромінювання, що випускається веществомза рахунок його внутрішньої енергії.
Інтенсивність теплового випромінювання різко зменшується зі зменшенням температури тел. Більшість твердих і рідких тіл мають суцільний спектр випромінювання, тобто випромінюють хвилі всіх довжин # 955 ;.
Видиме людиною випромінювання (світло): # 955; = 0,40-0,75 мкм.
Інфрачервоний (невидимий світ): # 955; = 0,75-400 мкм. Далі радіохвильової діапазон.
Ультрафіолет (невидимий): # 955; <0,40 мкм. Далее рентгеновские и гамма-лучи.
Засоби вимірювання, що визначають температуру тел за їх тепловим випромінюванням, називаютпірометрамі випромінювання. Пірометри використовуються для вимірювання температури в діапазоні 300-6000 о С. Для вимірювання температур більше 3000 о С пірометри є практично єдиними СІ, тому що вони безконтактних. Теоретично верхня межа вимірювання пірометрів необмежений. У пірометрах використовується в основному видиме світло і інфрачервоний діапазон.
Вимірювання температури тіл за їх тепловим випромінюванням грунтується на закономірностях, отриманих дляабсолютно чорного тіла. Якщо на зовнішню поверхню тіла падає потік променевої енергії Ф, то він частково поглинається Фп, відбивається Фот і пропускається ФПР. Співвідношення між цими потоками залежить від властивостей тіла і, зокрема, від стану його поверхні (ступеня шорсткості, кольору, температури). Якщо тіло поглинає весь падаючий на нього променистий потік, токоеффіціент поглинання його і таке тіло називаютабсолютно чорним.
Реальні тіла не є абсолютно чорними, і лише деякі з них за оптичними властивостями близькі до них, наприклад, нафтова сажа, платинова чернь, чорний оксамит в області видимого світла мають # 945 ;, мало відрізняється від 1.
Зовнішня поверхня тіл не тільки поглинає, але і випускає власне випромінювання, яке залежить від температури.
Відповідно до закону Кірхгофаізлучательная здатність тел пропорційна їх коефіцієнтам поглинання. Так як коефіцієнт поглинання абсолютно чорного тіла # 945; абс.ч.т. = 1, то воно має максимальну випромінювальною здатністю.
У пірометрії випромінювання в якості величин, що характеризують теплове випромінювання тіл, застосовують енергетичну світність (випромінювальні) і енергетичну яскравість (лучистість). При цьому слід розрізняти повну і спектральну світність і яскравість.
Під полнойенергетіческой світність розуміють повну (інтегральну) поверхневу щільність випромінюваної потужності.
Енергетичною яскравістю тіла в даному напрямку називаетсямощность випромінювання в одиничний тілесний кут з одиниці площі проекції поверхні тіла на площину, перпендикулярну даному напрямку. Енергетична яскравість є основною величиною, безпосередньо сприймають людським оком, а також всіма пірометрами, заснованими на вимірюванні температури по тепловому випромінюванню.
Всі реальні тіла за ступенем поглинання ними променевої енергії відрізняються від чорного тіла і мають коефіцієнт поглинання менше одиниці. Випромінювальна здатність реальних тіл також відрізняється від випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла і може бути охарактеризована коефіцієнтом випромінювання повним # 949; і спектральним # 949; # 955; .
Реальні тіла при однаковій температурі мають різну радіаційну здатність. оцінку якої виробляють по відношенню до випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла (значок * відноситься до абсолютно чорного тіла)
де # 949; # 955; коефіцієнт спектрального випромінювання (ступінь чорноти монохроматичноговипромінювання);
# 949; - коефіцієнт повного випромінювання (ступінь чорноти повного випромінювання);
Е # 955 ;. Е # 955; * - спектральна енергетична світність;
В # 955 ;. В # 955; * - спектральна енергетична яскравість (сприймається оком);
Е, Е * - повна енергетична світність.
# 949; # 955; є функцією довжини хвилі # 955; і температури Т. Тіло, у якого # 949; # 955; не залежить від температури і # 955 ;, називають сірим.
Залежність між спектральної енергетичної світності абсолютно чорного тіла Е # 955; *. його температурою Т і довжиною хвилі # 955; устанавліваетсязаконом Планка (див. рисунок 1.17)
Зазначений факт встановлює можливість вимірювання температури тіла по його спектральної яскравості з високою чутливістю.
З графіка (рисунок 1.17) видно, що # 955; max зменшується зі збільшенням температури. У міру зменшення температури чорного тіла максимум розподілу енергії його випромінювання зміщується в бік довгохвильовій області спектра.
Малюнок 1.17 - Сімейство кривих Е # 955; *. побудованих за законом Планка
Це і стало підставою використовувати для вимірювання яскравості температури тел інфрачервону область спектра.
Для реальних тіл, що мають кожен свій # 949; # 955;
Есліреальние тіла мають одну і ту ж температуру. то через різницю # 949; # 955; ізмеренниезначенія В # 955; будуть відрізнятися. що не дозволяє мати єдину шкалу приладу, відградуйовану в значеннях істинної температури різних об'єктів. У зв'язку з цим шкалу пірометра доводиться градуювати по випромінюванню абсолютно чорного тіла.
Так як випромінююча здатність реальних тіл менше, ніж чорних, то показання пірометра будуть відповідати не дійсною температурі реального тіла, а дають умовну температуру, в даному випадку так звану температуру яскравості.
Яркостной температурою реального тіла називають таку температуру абсолютно чорного тіла, при якій його спектральна яскравість В * (# 955 ;, Тебе) дорівнює спектральної яскравості реального тіла В (# 955 ;, Т) при його дійсної температурі Т.
Використовуючи (1.31), (1.32), (1.33), отримаємо
Видно, що яркостная температура завжди менше дійсної температури, так як # 949; # 955; <1.
Прилади, призначені для вимірювання яскравості температури у видимій частині спектру, зазвичай називаютоптіческімі і фотоелектричними пірометрами.
Як видно з малюнка 1.17, з підвищенням температури максимум кривої розподілу енергії випромінювання по спектру зміщується в бік коротких хвиль. Довжина хвилі # 955; max. відповідна максимуму кривої розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла, пов'язана з абсолютною температурою Т співвідношенням
гдеb - постійна, рівна 2896 мкм К.
Співвідношення (1.35) носить назву закону зміщення Віна. Пунктирна лінія (див. Рисунок 1.17), що проходить через максимуми всіх кривих, відповідає закону зміщення Віна.
У видимій частині спектру зміщення # 955; max і, отже, перерозподіл енергії, що викликається зміною температури тіла, призводить до зміни його кольору. Це послужило підставою существующіеметоди вимірювання температур тіл. засновані на зміні з температурою розподілу енергії всередині даної ділянки спектра випромінювання, назватьцветовимі методами. Умовна температура тіла, виміряна цими методами, називається колірною температурою.
Найбільшого поширення з існуючих отримав метод вимірювання температури кольору у видимій частині спектру по відношенню енергетичних яскравостей у двох спектральних інтервалах.
Колірною температурою (Тц) називається така температура абсолютно чорного тіла, при якій відношення його спектральних енергетичних яскравостей при довжинах хвиль # 955; 1 і # 955; 2 дорівнює відношенню спектральних яскравостей реального тіла при тих же довжинах хвиль і його дійсної температури Т.
Відомо що . З огляду на (1.31), (1.32), (1.33), отримаємо
Практично сірими вважають реальні тіла: кераміка, оксиди металів, вогнетривкі матеріали, граніт і ін. Переваги колірного методу для них очевидні, так як яркостная температура завжди, на відміну від колірної, нижче дійсної.
Прилади, призначені для вимірювання температури кольору по відношенню спектральних енергетичних яскравостей, прийнято називатьпірометрамі спектрального відношення або колірними пірометрами.