Методы измерения и описание аппаратуры

 

Схема измерения температуры с помощью радиационного пирометра показана на рис. 1. Здесь 1– нагретое тело, 2 – линза объектива, 3 – термоприемник, 4– милливольтметр.

Лучистый поток, испускаемый нагретым телом, фокусируется линзой объектива на термоприемник, который преобразует энергию излучения в электрическую. В качестве термоприемника в пирометре использована термобатарея, составленная из 10 хромель-никелевых термопар и имеющая вид «звездочки». Рабочие («горячие») спаи имеют вид стрелок и обращены к центру, образуя активный участок, на который проектируется изображение нагретого тела. Для увеличения поглощения лучистой энергии поверхность стрелок термобатареи, обращенная к падающему сфокусированному лучистому потоку, зачернена. Под действием излучения, испускаемого телом, рабочие спаи термобатарей нагреваются и температура их становится выше температуры «холодных» концов. Возникающая при этом термоЭДС измеряется электроизмерительным прибором (милливольтметром). Показания милливольтметра предварительно градуируются на градусы по известной температуре излучения а. ч. т. (градуировочный график приводится на стенде установки).

Предполагается, что температура «холодных» концов термопар постоянна. На самом деле она зависит от температуры окружающей среды, в частности, от температуры корпуса термоприёмника. Отклонение температуры корпуса от нормальной, при которой производилась градуировка пирометра, вызовет погрешности при измерении температуры объекта. Чтобы свести эту погрешность к минимуму, параллельно термопаре включается сопротивление из медной проволоки, намотанной на корпус термобатареи и меняющей свое сопротивление при колебаниях температуры. Принципиальная блок-схема установки приведена на рис. 2.

Поскольку пирометр измеряет температуру по величине полной испускательной способности, существенным является вопрос о выборе размеров излучателя 1 и расстояния от пирометра (ПИР) до него. Необходимым условием правильных показаний является условие полного перекрытия спая термопары изображением раскаленного тела. Учитывая это обстоятельство, расстояние от исследуемого тела до пирометра выбрано равным 40 см.

Порядок выполнения работы

 

1. Навести пирометр (ПИР) на источник излучения так, чтобы центры термобатареи и изображения излучателя совпадали (смотреть через отверстие в торце пирометра).

2. Установить необходимое значение падения напряжения на лампе, регулируя выходное напряжение источника питания (И.П.). Записать показания вольтметра V и амперметра A в таблицу. Замеры записывать после установления стационарного режима в цепи лампы, т. е. через некоторое время после установления напряжения.

 

№ п/п	Падение напряжения на лампе U,В	Сила тока I, А	Показания милливольтметра пирометра, мВ	Мощность, потребляемая лампой, N, Вт	lg N	TР, К по графику	lg TР
По прибору	Средняя величина	По прибору	Средняя величина
.

 

3. Для каждого значения напряжения и силы тока, протекающего через лампу, записать показание милливольтметра mV пирометра. Измерение силы тока и показаний милливольтметра пирометра провести при увеличении и уменьшении напряжения на лампе. По среднему значению показаний пирометра для каждого значения напряжения на лампе найти ее радиационную температуру, пользуясь градуировочным графиком, помещенном на стенде установки.

Зависимость полной испускательной способности вольфрама (материал спирали лампы накаливания) от температуры найдем следующим образом. Связь между радиационной температурой и полной испускательной способностью вольфрама R _T можно записать в виде, аналогичном соотношению (2)

R _T ~ T _Р ⁿ, (4)

где n - константа, n»4.

Поскольку при высокой температуре подводимая к исследуемой спирали лампы мощность N пропорциональна ее полной испускательной способности, то N ~ R _T ~ T _Р ⁿ, иначе:

N = C R _T = C'T _P ⁿ, (5)

где С, С', – некие коэффициенты пропорциональности.

Чтобы получить искомую зависимость (4), необходимо:

а) рассчитать мощность, потребляемую лампой по формуле

N = I U; (6)

б) построить график зависимости lg N от lg T _P,

в) определить n в уравнении (5):

lg N = lg C' + n lg T _P, (7)

по тангенсу угла наклона полученного графика к оси абсцисс, т. е. как отношение разности значений ординат к разности значений абсцисс двух выбранных точек графика.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется тепловым излучением?

2. Что называется спектральной испускательной способностью и полной испускательной способностью тела?

3. Какие тела называются абсолютно черными телами?

4. Какие законы теплового излучения вы знаете? В чем сущность этих законов?

5. Что понимается под радиационной температурой тела?

6. Нарисуйте блок-схему радиационного пирометра.

7. В чем заключается принцип измерения температуры тела с помощью радиационного пирометра?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ландсберг Г. С. Оптика. – Гостехиздат, 1970.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1979. – Т. 3.

3. Физический практикум / Под ред. В. М. Ивероновой. – М.: Наука, 1968 – Т. 2.

4. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1989.

РАБОТА 51