50462

Измерение высоких температур с помощью оптического пирометра с исчезающей нитью

Лабораторная работа

Физика

Поток световой энергии падающий на поверхность непрозрачного тела частично отражается частично входит внутрь тела и поглощается. Поэтому тела поглощающие лучи нагреваются. Предположим что в теплообмене участвуют тела образующие замкнутую систему окруженную адиабатической оболочкой т.

Русский

2014-01-24

75.5 KB

15 чел.

РАБОТА № 7

Измерение высоких температур с помощью

оптического пирометра с исчезающей нитью.

Цель работы: изучить законы теплового излучения, ознакомиться с работой оптического пирометра, определить зависимость от температуры интегрального лучеиспускателя (интегральной интенсивности) вольфрама.

Введение. Поток световой энергии, падающий на поверхность непрозрачного тела, частично отражается, частично входит внутрь тела и поглощается. Поглощенная телом энергия преобразуется в иные формы энергии, чаще всего в тепловую. Поэтому тела, поглощающие лучи нагреваются. С другой стороны, тело, нагретое до температуры большей, чем температура окружающей среды, отдает тепло в виде излучения электромагнитных волн, такое излучение называется тепловым. Всякое излучение сопровождается потерей энергии и происходит либо за счет внутренней энергии, либо за счет получения энергии извне.

Основные характеристики излучения. Тепловое излучение может быть охарактеризовано двумя основными величинами:

1. Интегральной интенсивностью I, которая представляет собой полную энергию Еизл, излучаемую в единицу времени единицей поверхности во всем интервале длин волн:

I = Еизл / S      (1)

2. Дифференциальной интенсивностью I, которая представляет собой энергию Еизл, излучаемую в единицу времени единицей поверхности в интервале длин волн от до +:

    (2)

Иногда эту величину называют лучеиспускательной способностью.

Из формул (1) и (2) видно, что:

  `   (3)

Пусть из всей падающей на тело энергии Е пад в интервале , +  часть энергии Е погл  поглощается телом, а часть -  Е отр - отражается.

Величина Епогл/Епад = a(,T) называется поглощательной способностью тела, а величина   Е отр/Е пад = r(,T) называется отражательной способностью. Поглощательная (отражательная) способность есть величина безразмерная, показывающая, какую долю падающего излучения в интервале от до + тело поглощает (отражает).

Тело, поглощающее всю падающую на него энергию, называется абсолютно черным телом.

Для абсолютно черных тел   Е отр = 0 и а(,Т) = 1.

Законы теплового излучения. Предположим, что в теплообмене участвуют тела, образующие замкнутую систему, окруженную адиабатической оболочкой, т. е. такой, что теплообмен системы с внешней средой отсутствует. Тогда через некоторое время эти тела придут в состояние равновесия, т. е. примут одинаковую температуру, причем в состоянии равновесия в любой момент времени для каждой длины волны излучаемая телом энергия равна поглощаемой. Кирхгоф показал, что в условиях равновесия отношение дифференциальной интенсивности излучения к поглощательной способности есть величина постоянная для всех тел при данной температуре и для данной длины волны (закон Кирхгофа):

                                       (4)

Следовательно, тело, поглощающее какие-то лучи, будет их же и излучать. Величина (,T) не зависит от природы тела и является только функцией и так как для абсолютно черного тела а(,T) = 1, то:

I(,T) = (,T)

Таким образом, (,T) есть дифференциальная интенсивность излучения абсолютно черного тела.

Для остальных тел i(,T) = а(,T)   (,T), причем а(,T) < 1.

Планк, основываясь на гипотезе о квантовой природе излучения, показал, что для абсолютно черного тела:

                                 (6)

где h - постоянная Планка, k - постоянная Больцмана, с - скорость света, Т - абсолютная температура.

На основании равенств (3) и (6) для интегральной яркости абсолютно черного тела можно получить выражение:

                               (7)

Т. o. полная энергия, излучаемая абсолютно черным телом в 1 сек., пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры (закон Стефана- Больцмана).

Из распределения Планка (6) можно сделать выводы о распределении излучения по длинам волн. Максимум интенсивности излучения определяется из условия:

                                               (8)

Это приводит к выражениям:

          (закон Вина)                (9)

где С1, C2 - постоянные числа.

Иными словами, длина волны, на которую приходится максимум интенсивности, обратно пропорциональна температуре (1-й закон Вина).

Максимальная интенсивность излучения пропорциональна пятой степени абсолютной температуры (2-й закон Вина).

Излучение всех реальных тел, которые являются лишь приближенной моделью абсолютно черного тела, подчиняется тем же закономерностям, как и излучение абсолютно черного тела. В частности, интегральное излучение реального тела равно:

I = B Tn

где B и n - постоянные, зависящие от спектрального интервала, температуры и вещества тела.

В работе, для вольфрамовой спирали лампы накаливания проверяется закон (10) и определяется значение “n”.

Метод измерения яркостной температуры.  Пусть имеется черное тело, нагретое до некоторой температуры, и пусть на его фоне расположена нить накала спиральной пирометрической лампы, и мы рассматриваем нить и тело через светофильтр, выделяющий из спектров обоих объектов излучение определенной длины волны (обычно это бывает излучение с длиной волны 6600А). Регулируя ток накала в нити лампы, мы можем добиться того, что нить перестанет быть видимой, исчезнет на фоне раскаленного черного тела (это будет иметь место, когда яркости черного тела и нити для используемой длины световой волны сравняются). Найдем значение тока нити накала при этих условиях. Выполним эти операции для нескольких значений температуры черного тела, измеренной при помощи термометра сопротивления, термопары и т. п. Таким путем устанавливается определенное соответствие между значениями температуры черного тела и токами нити накала в момент, когда она исчезает на фоне черного тела. Это будет значить, что мы прокалибруем в шкале температур яркость нити в зависимости от тока накала. После этого уже можно применять нить лампы, в свою очередь, в качестве термометра. В самом деле, пусть нам надо измерить температуру какого-то нагретого тела. Поместим прокалиброванную нить на фоне этого тела и, изменяя в ней ток накала, добьемся исчезновения нити на фоне этого тела. Допустим, что это происходит при каком-то токе. Тогда, пользуясь калибровочным графиком, мы можем найти соответствующую использованному току I температуру черного тела, при которой 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 будет нуждаться в некоторой поправке.

В самом деле, мы нашли температуру тела, при которой его яркость для определенной длины волны равна яркости черного тела для той же длины волны. Поскольку это тело излучает во всем спектре не как черное тело, то мы и не будем иметь оснований считать найденную таким способом температуру тела его истинной температурой. Мы найдем лишь так называемую яркостную температуру тела. Яркостная температура тела будет всегда ниже его истинной термодинамической температуры. Это связано с тем, что любой объект излучает меньше, чем абсолютно черное тело при той же температуре. Следовательно, произвольное тело, имеющее в данный момент одинаковую яркость (для определенной длины волны) с некоторым черным телом имеет, наверняка термодинамическую температуру выше температуры черного тела, т. е. выше той яркостной температуры, которая определяется с помощью нити пирометра, прокалиброванной по излучению абсолютно черного тела.

Различие между яркостной и термодинамической температурой может быть значительны. Так, например, для вольфрама вблизи температуры 1000оС  яркостная температура на 44о ниже термодинамической, а при 3000оС - уже на 327о. Связь между яркостной температурой и термодинамической температурой тела устанавливается соотношением

                              (11)

Величина Э,, зависящая от длины волны и температуры, имеет свое значение для каждого материала и определяется предварительно в ходе особого опыта. Нужное нам в дальнейшем значение Э,  для вольфрама равно 0.4 при =6600 Е.

Величина С1 связана с универсальными постоянными Планка, Больцмана и скоростью света: C1=hc/k = 1.438 см град, - длина световой волны (в нашем случае 6600 10-8 см), Ттерм - термодинамическая температура тела, Тярк - яркостная температура тела, непосредственно измеренная пирометром с исчезающей нитью.

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

= 0.4203069 10-4  T2ярк                  (22)

где  означает всегда положительную поправку к измененной с помощью пирометра яркостной температуре Тярк. Значение

Ттерм = Тярк +                                                 (13)

Устройство пирометра с исчезающей нитью. Практически измерения температуры тел путем сравнения их яркости с яркостью прокалиброванной по черному телу нити осуществляется при помощи специальных приборов - пирометров. На рис. 1. представлена схема пирометра, аналогичного по своей конструкции устройству лабораторной зрительной трубы. Объектив пирометра 1 проектирует изображение исследуемого тела в плоскость расположения нити накала пирометрической лампы 3. Сечение лампы в плоскости, перпендикулярной к плоскости нашего чертежа, представлено еще раз на рис. 2. На этом рисунке ясно видна проволочная петля, образованная внутри лампы ее нитью накала. Нить накала лампы и даваемое объективом изображение исследуемого объекта рассматриваются наблюдателем через окуляр 5. В этом же окуляре расположен тот красный светофильтр 4, о котором уже неоднократно упоминалось выше.

        Рис. 1.                                                                    Рис. 2.

Красный светофильтр всегда необходим при измерениях, но он может выводиться из поля зрения окуляра при наводке трубы пирометра на объект измерений для удобства фокусировки объекта в белом свете. Введение и выведение этого светофильтра в поле зрения окуляра осуществляется вращением рифленого кольца на окуляре пирометра.

Кроме красного светофильтра, в пирометре имеется еще один красноватый ослабляющий светофильтр, лишь по мере надобности вводимый в ход лучей между объективом пирометра и нитью его лампы. Этот светофильтр 2 показан в трубе пирометра пунктиром. Он предназначен для предварительного ослабления яркости исследуемых тел в тех случаях, когда их температура превышает 1400oС. До более высоких температур нагревать нить пирометрической лампы нежелательно, так как она начинает распыляться, изменять свое свечение и затемнять стенки баллона лампы. При наличии же светофильтра 2, ослабляющего яркость нагретого тела, пирометр этого типа может применяться до 2000оС. Разумеется, применение пирометра с этим дополнительным светофильтром требует калибровки его нити по черному телу в новых условиях.

Шкала миллиамперметра, включенного в цепь накала лампы, прокалибрована непосредственно в градусах Цельсия.

Объектом измерений служит спираль лампы накаливания. Температура этой спирали изменяется при разных значениях проходящего через него тока и, следовательно, при разных значениях подводимой к ней мощности. Лампа питается от автотрансформатора и понижающего трансформатора. Для измерения подводимой мощности в цепь лампы включены амперметр и вольтметр.

Порядок измерений. 

  1.   Ознакомиться с техническим паспортом пирометра (стр. 3-13).

С помощью окуляра пирометра сфокусировать изображение нити лампы пирометра, а передвигая тубус - добиться резкого изображения нити исследуемой лампы в плоскости нити лампы пирометра.

Добиться точного положения, чтобы вершина нити лампы пирометра находилась на середине спирали лампы (рис. 3.).

Рис. 3.

Включить понижающий трансформатор и при помощи автотрансформатора установить ток лампы, при котором наблюдается красное свечение лампы.

Измерить температуру исследуемой нити накала.

Одновременно с измерениями температуры замерять с точностью 0.1 значения силы I и напряжения на лампе. Отсчеты значений силы тока и напряжения надо производить через 1-2 минуты после изменения этих величин, когда режим в цепи исследуемой лампы полностью установится.

Получить зависимость Т от мощности, подводимой к лампе. Для каждого установленного значения силы тока произвести измерение пирометром температуры спирали исследуемой лампы. При этом условии по миллиамперметру пирометра отсчитывают температуру нити с точностью до 10о. Надо помнить, что нить лампы пирометра обладает тепловой инерцией и регулировка ее накала должна быть медленной. Каждое измерение температуры необходимо производить не менее трех раз, изменяя накал нити пирометра  и вновь отыскивая условие исчезновения нити.

Обработка измерений.

  1.  тела по измеренным значениям яркостных температур. С помощью формул (12) - (13) находят термодинамические температуры Необходимо  помнить, что на шкале пирометра температура указана в градусах Цельсия, а в формулы входит абсолютная температура.

Вычисляют с точностью 0.1 вт мощность подводимого к  спирали нити тока для каждого значения термодинамической температуры.

Строят график зависимости расходуемой мощности W от температуры нити (термодинамической).

Зависимость интегральной лучеиспускательной способности вольфрама от его термодинамической температуры находят следующим образом. Как указывалось выше, для интегральной интенсивности (лучеиспускательной способности) нечерного тела справедливо уравнение (10). Так как при высокой температуре подводимая к исследуемой спирали мощность W почти вся расходуется на излучение, то:

W I; I = B Tn

Поэтому можно записать, что:

lgW = lgB + n lgTтермод                                        (14)

Построив графическую зависимость (14), можно из тангенса угла наклона получить значение “n”.

Контрольные вопросы.

  1.  Сформулировать и записать законы излучения абсолютно черного тела.

Схема пирометра. Для чего нужны два светофильтра?

Как появилась шкала прибора? (Т. е. как был отградуирован пирометр)?

Какая ожидается зависимость интенсивности от подводимой мощности?

Может ли реальное накаленное тело излучать сильнее чем абсолютно черное тело?

Почему для определения n строится график зависимости lgW от lgT, а не W от T?

Требование по технике безопасности.

  1.  В работе используется 220 В напряжения переменного тока и 5 кВ постоянного тока, которые являются опасными для жизни.

Студентам запрещается включать и производить какие-либо действия с приборами, не относящимися к работе.

Студенты могут включать приборы только после разрешения преподавателя.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

60245. Виховний захід: Поле чудес 187 KB
  І завданням кожного з нас є турбота про світ природи що нас оточує та охорона тварин рослин та природних ресурсів. Виходячи з цього і враховуючи притаманні державі геополітичні географічні демографічні соціально-економічні та екологічні особливості цілями...
60247. Классный час по профориентации «Дорога в Завтра» 54.5 KB
  Повышение мотивационно-ценностной готовности к зрелому выбору: сформированность у ученика самооценки адекватной личным способностям и возможностям получить желаемое образование наличие ценностных ориентаций и индивидуально...
60248. Літературні розумники 52.5 KB
  Різдвяна пісня у прозі 8. Вогонь Прометея VІ Темна конячка поняття у скринці Теорія літератури Канцона пісня про кохання Сирвента пісня про політику суспільне життя Пастореле пісня про зустріч лицаря і пастушки Рубаї чотиривірш де римується...
60249. СИЛЬНІ ДУХОМ 1.14 MB
  Мета: виховувати позитивне ставлення до людей з обмеженими можливостями; ознайомити з організаціями, які піклуються про інвалідів; розкрити проблеми людей–інвалідів та засоби їх вирішення...
60250. Путешествие в страну сказок 52 KB
  Мальвина Под музыку входит Мальвина Дюймовочка Айболит Буратино и Мальвина все вместе Здравствуйте ребята Дюймовочка вы хотите вместе с нами путешествовать по стране Сказок Дети Да Айболит но нам нужен транспорт чтобы попасть в эту страну.
60251. Твори своє щастя 81.5 KB
  Мета: ознайомити учнів з поняттям щастя формувати уміння розрізняти його серед інших почуттів; розвивати бачення прекрасного; збагачувати словниковий запас дітей; виховувати любов і повагу до матері сім’ї рідного краю викликати бажання робити добро...
60252. МИСТЕЦЬКЕ СВЯТО «ОБРАЗ ВЧИТЕЛЯ В МИСТЕЦТВІ» 88.5 KB
  Дівчина: Красива й щира осіння природа як красива й добра душа вчителя. клас виконують пісню про школу на вибір вчителя Презентація Ми і наші вчителі фото шкільних буднів переглядається під музичний супровід. Хто вони учителі Якими якостями повинні володіти...