Оптическим пирометром

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЛЬФРАМОВОЙ НИТИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Знакомство с методами оптической пирометрии и применение оптического пирометра для измерения температуры нагретого тела.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение, испускаемое телами за счет внутренней энергии этих тел.

Энергия, испускаемая поверхностью тела за единицу времени, называется потоком энергии и измеряется в ваттах. Отношение потока энергии электромагнитного излучения, испускаемого элементом поверхности тела, к площади этого элемента называется энергетической светимостью R (интегральной испускательной способ-ностью) тела. Энергетическая светимость зависит от температуры Т, поэтому используют символ R_Т. Спектральной плотностью энергетической светимости (испускательной способностью) r(l,Т) называется величина, определяемая формулой:

. (1)

Величина r(l,Т) зависит от температуры Т и от длины волны l и характеризует спектр теплового излучения.

Наряду с испусканием излучения поверхность тела поглощает часть падающего на нее потока электромагнитной энергии. Поглощательной способностью поверхности тела называется отношение потока энергии, поглощенного поверхностью, к монохроматическому потоку, падающему на эту поверхность. Величина является функцией температуры Т и длины волны l.

Тело называют абсолютно черным, если оно поглощает все излучение, падающее на его поверхность. Для абсолютно черного тела . Индекс ₀ означает, что данная величина относится к абсолютно черному телу.

Тепловое излучение может находится в термодинамическом равновесии с телом - излучателем. Соответственно, в состоянии равновесия может находится система из нескольких тел, обменивающихся тепловым излучением друг с другом. Для сохранения термодинамического равновесия в такой системе необходимо, чтобы тело с интенсивным поглощением излучало больше энергии. Эта взаимосвязь испускания и поглощения отражена в законе излучения Кирхгофа: отношение испускательной способности r(l,Т) тел к их поглощательной способности одинаково для всех тел и равно испускательной способности r₀(l,Т) абсолютно черного тела; т.е. зависит от длины волны l и температуры Т:

. (2)

Закон Кирхгофа указывает, что в теории теплового излучения спектральная испускательная способность r₀(l,Т) абсолютно черного тела играет важную роль. Попытки получить эту функцию теоретически с помощью классической физики (Дж. Рэлей) закончились безрезультатно: теоретические результаты резко отличались от экспериментальных в области ультрафиолета (²ультрафиолетовая катастрофа²). В 1900 г. М. Планк сделал предположение, что тепловое излучение испускается отдельными порциями энергии, квантами, величиной

, (3)

где n - частота излучения, h = 6,63×10^-34 Дж×с - постоянная Планка. На основе этого предположения Планк получил формулу

. (4)

(с - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана), совпадающую с экспериментальными результатами для любых значений длины волны l и абсолютной температуры Т. На рис. 1 показаны графики зависимости r₀(l,Т) от длины волны l при фиксированных значениях температуры Т₁, Т₂, Т₃, причем Т₁ > Т₂ > Т₃.

Каждый график имеет максимум при некоторой длине волны l_m, которую можно найти, дифференцируя формулу Планка по l и решая уравнение . Длина волны l_m, соответствующая максимуму, обратно пропорциональна абсолютной температуре излучателя Т:

, (5)

где в = 2,9×10^-3 м×К.

Формула (5) называется законом смещения Вина.

Интегрируя формулу Планка (4), получим зависимость энергетической светимости абсолютно черного тела R_0Т от абсолютной температуры Т или закон Стефана - Больцмана:

или , (6)

где s = 5,67×10^-8 (Вт/м²К⁴) - постоянная Стефана-Больцмана. Для тел, не являющихся абсолютно черными, закон Стефана-Больцмана не выполняется [4].

Перечисленные законы теплового излучения указывают на зависимость некоторых характеристик излучения от температуры Т излучающего тела. Поэтому, регистрируя и анализируя тепловое излучение, можно определить температуру тела - излучателя.

Пирометрия - это совокупность оптических (бесконтактных) методов измерения температуры. Соответствующий измерительный прибор называется пирометром. При температурах свыше 1000⁰С эти методы становятся основными методами измерения температуры, а при температурах свыше 3000⁰С - практически единственными. Методы пирометрии имеют следующие преимущества: 1) отсутствие верхнего предела измеряемой температуры; 2) безконтактность методов, в результате чего не искажается температурное поле тела - излучателя, а увеличение расстояния между объектом и пирометром не отражается на результатах измерения; 3) экспрессность методов, т.е. время измерения мало.

Виды оптических пирометров: яркостные, цветовые и радиационные.

В яркостном пирометре меняют яркость эталона, входящего в состав пирометра, пока она не сравняется с яркостью излучающего тела. Изменение яркости эталона происходит при изменении проходящего через эталон электрического тока, в цепи которого находится измерительный прибор - гальванометр. По шкале этого гальванометра, проградуированной в градусах Цельсия, и определяют температуру излучающего тела.

В цветовом пирометре температура тела - излучателя определяется путем регистрации и сравнения испускательных способностей r(l,Т) тела для двух разных длин волн l₁ и l₂, т.е. используется зависимость отношения от температуры Т.

В радиационном пирометре регистрируется весь падающий на пирометр поток излучения, который пропорционален энергетической светимости излучателя, а энергетическая светимость абсолютно черного тела по закону Стефана-Больцмана равна пропорциональна . Отсюда определяют температуру Т тела.

Так как пирометры градуируют по абсолютно черному телу, то для реального тела с помощью пирометра получают предварительную температуру - яркостную Т_я, цветовую Т_ц или радиационную Т_р, от которой переходят к истинной температуре добавлением поправки или с помощью графиков.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

В данной работе используется яркостный пирометр с исчезающей нитью ОППИР-09. На рис. 2 показаны оптическая и электрическая схемы пирометра.

Свет от накаленного тела 1 фокусируется объективом 2 пирометра в плоскость, в которой располагается нить 4 фотометрической лампы. С помощью окуляра 6 глаз наблюдателя 7 видит совмещенные изображения поверхности тела и нити лампы. Меняя величину сопротивления R, можно изменять силу тока, протекающего через нить лампы, и соответственно яркость нити. Добиваются совпадения яркостей тела и нити, т.е. исчезновения изображения нити на фоне тела. Тогда по шкале гальванометра 8, включенного параллельно нити, определяют яркостную температуру в градусах Цельсия. На рис.2 показаны ослабляющий светофильтр 3 и монохроматический (красный) светофильтр 5.

На рис. 3 показана блок - схема экспериментальной установки, состоящей из пирометра и электрической схемы лампы 1, вольфрамовая нить которой является испытуемым телом - излучателем.

Меняя положение подвижного контакта потенциометра П, изменяют силу тока I лампы и напряжение на ней. Соответственно изменяется мощность , подаваемая на излучатель, и температура вольфрамовой нити лампы.

Характеристики фотометрической лампы пирометра сохраняются неизменными, если температура ее нити не превышает 1400⁰С. Поэтому при измерении более высокой температуры тел их тепловое излучение пропускают через ослабляющий светофильтр 3 (рис.2), который вводят поворотом накатанной головки 9. Светофильтр считается введенным, когда белая указательная точка (индекс) на головке 9 совпадает с цифровым индексом ²20² на корпусе пирометра; и невведенным, - когда индексы на головке и корпусе взаимно смещены на четверть полного оборота головки. В отсутствии ослабляющего светофильтра применяется шкала 800 - 1400⁰С, а при введенном светофильтре - шкала 1200 - 2000⁰С.

Указанные шкалы находятся на циферблате 10 (рис. 3) показывающего прибора - гальванометра 8 (рис. 2). При повороте кольца 11 (рис. 3) меняется сопротивление R в цепи фотометрической лампы пирометра (см.рис. 2).

Красный светофильтр 5 (рис. 2), выделяющий узкую спектральную область около длины волны l = 0,65 мкм, укреплен в поворотной обойме 12 (рис. 3) с накатанной наружной частью. Применение красного светофильтра увеличивает чувствительность пирометра в несколько раз. Поворотом обоймы красный светофильтр может быть выведен из поля зрения при измерении низких температур (до 900 ⁰С), когда яркость мала.

С помощью яркостного пирометра ОППИР - 09 в данной работе определяется яркостная температура t_я вольфрамовой нити лампы 1. Яркостной температурой тела называется температура, до которой нужно нагреть абсолютно

черное тело, чтобы его монохроматическая яркость была равна яркости реального физического тела.

Зная яркостную температуру , можно найти истинную температуру Т тела. Для вольфрама при измерениях в красном свете
(l = 0,65 мкм) истинную температуру Т в единицах СИ можно определить по графику, указанному на рис. 4.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Проверьте нулевое положение стрелки показывающего прибора пирометра на циферблате 10 при крайнем левом положении реостатного кольца 11.

Поворотом кольца 11 по часовой стрелке включите ток в схему пирометра и доведите накал нити 4 пирометрической лампы до температуры 1000⁰С. Приложив глаз к окуляру и взявшись рукой за накатанный конец 6 его тубуса, перемещайте окуляр в горизонтальном направлении до тех пор, пока нить 4 не будет видна совершенно четко.

Поставьте потенциометр П (см.рис. 3) в нулевое положение и включите схему лампы 1 в сеть постоянного тока с напряжением
36 В. В данной работе исследуется тепловое излучение вольфрамовой нити лампы 1.

Передвигая подвижный контакт потенциометра П, установите по показаниям амперметра А силу тока I₁ = 0,5 А в лампе 1. С помощью вольтметра V определите напряжение U₁ на лампе 1. Значения U₁ занесите в таблицу 1.

Таблица 1

NN	I (А)	U (В)	tя (^0C)
U1	U2	U3			t1я	t2я	t3я
	0,5
	0,625
	0,75
	0,875

Поворотом обоймы 12 введите в поле зрения пирометра красный светофильтр. Поверните головку 9 в положение, при котором ослабляющий светофильтр 3 выведен. В этом случае пирометр работает в диапазоне температур от 800⁰С до 1400⁰С. Направьте объектив на испытуемую вольфрамовую нить. Взявшись рукой за накатанный конец 2 тубуса объектива, медленно перемещайте его в горизонтальном направлении до тех пор, пока изображение (перевернутое) нити лампы 1 не будет видно совершенно четко.

Совместите изображения испытуемой вольфрамовой нити лампы 1 и нити эталонной лампы 4 пирометра. Поворотом кольца 11 реостата меняйте яркость нити эталонной лампы 4 до тех пор, пока яркости изображений нити лампы 1 и эталонной лампы 4 не сравняются. По циферблату 10 показывающего прибора 8 пирометра определите яркостную температуру вольфрамовой нити лампы 1 в градусах Цельсия.

Перемещая подвижный контакт потенциометра П, повторите пункты 4.4 и 4.6, измеряя U₁ и t_1я при увеличении силы тока в лампе 1 от 0,5 А до 1 А. При повышении яркостной температуры t¢_я свыше 1200⁰С поверните головку 9 (рис. 3) на четверть полного оборота головки, совместив белую указательную точку на головке с цифровым индексом ²20² на корпусе пирометра. В этом случае пирометр измеряет яркостную температуру в диапазоне от 1200⁰С до 2000⁰С.

Повторите пункты с 4 по 7 еще 2 раза, измеряя U₂ и t_2я, а также U₃ и t_3я при изменении силы тока в лампе 1 от 0,5 А до 1 А.

По формулам ; найдите средние значения напряжения и яркостной температуры < t_я > для каждого значения силы тока, а также полуширину доверительных интервалов и Dt_я. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу 1.

По формуле определите мощность лампы 1 для каждого значения силы тока, а по формуле найдите полуширину доверительного интервала. Полученные результату занесите в таблицу 2.

Таблица 2

NN	I (А)	P		T (К)
	0,5
	0,625
	0,75
	0,875

Используя средние значения яркостной температуры в градусах Цельсия, с помощью графика на рис.4 найдите значения истинной температуры Т вольфрамовой нити лампы 1 в кельвинах для каждого значения мощности Р. Так как уравнение линии на рис.4 можно записать в виде , то доверительный интервал можно найти по формуле . Запишите результаты измерений и вычислений в таблицу 2.

На диаграмме зависимости мощности излучения Р вольфрамовой нити от ее температуры Т постройте по результатам таблицы 2 экспериментальные точки с доверительными интервалами , (см.рис. 5). Проведите плавную линию графика так, чтобы она проходила через доверительные интервалы всех экспериментальных точек.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Сформулируйте цель лабораторной работы.

Какое излучение называется тепловым?

Почему тепловое излучение называют равновесным?

Какую величину называют энергетической светимостью тела?

Какую величину называют спектральной плотностью энергетической светимости (испускательной способностью) тела?

Какую величину называют поглощательной способностью тела?

Какое тело называется абсолютно черным?

Сформулируйте закон излучения Кирхгофа.

Какое событие в истории физики получило название "ультрафиолетовой катастрофы"?

Какое предположение лежит в основе вывода формулы Планка?

Нарисуйте график формулы Планка.

Укажите формулу закона смещения Вина.

Укажите формулу закона Стефана-Больцмана.

Что такое пирометрия?

Какие преимущества имеют методы пирометрии?

Для измерения каких температур применяются методы пирометрии?

Укажите виды пирометров.

Укажите принцип работы яркостного пирометра.

Зависят ли показания яркостного пирометра от расстояния до излучающего тела?

Укажите принцип работы радиационного пирометра.

Как от яркостной температуры тела перейти к истинной
температуре?

Укажите составные части яркостного пирометра с исчезающей нитью.

Что расположено в плоскости, в которой объектив яркостного пирометра фокусирует свет от тела - излучателя?

Какую роль в яркостном пирометре играет ослабляющий светофильтр 3 (рис.2)?

Какую роль в яркостном пирометре играет красный светофильтр 5 (рис.2)?

Как определяется мощность излучения вольфрамовой нити в данной работе?

Выполняется ли закон Стефана-Больцмана для теплового излучения вольфрамовой нити?

В каких единицах градуируется шкала гальванометра электрической цепи нити эталонной лампы пирометра?

Каким образом меняется яркость нити эталона в яркостном
пирометре?

Как в яркостном пирометре перейти от одной температурной шкалы к другой?

Дата добавления: 2015-06-04