ТОП 10:

Дослідження температури нитки розжарення за допомогою оптичного пірометра.



Прилади та приладдя: пірометр з джерелом живлення на 6В, амперметром 0,5А, вольтметр на 150В, реостат на 3200Ом, досліджувана лампа розжарення в корпусі освітлювача.

Мета роботи: засвоїти застосування оптичного пірометра.

 

Коротка теорія та методика вимірювань

 

Методи оптичної пірометрії використовуються для вимірювань високих температур від 800˚С і вище. При вимірюваннях вони не потребують беспосереднього контакту з вимірюваним середовищем і дозволяють вимірювати температтури розжарених тіл на великих відстанях від них. В основу оптичної пірометрії покладено закони теплового випромінювання.

Тепловим називають електромагнітне випромінювання тіл, нагрітих вище 0 К, що здійснюється за рахунок енергії теплового руху атомів. Для різних тіл спектральний склад випромінювання різний і змінюється зі зміною температури тіл, але у всіх тіл з підвищенням температури збільшується частка випромінювання, що припадає на короткі довжини хвиль. При низьких температурах випромінюється в основному інфрачервоні промені. Розжарені тіла, поряд з інфрачервоними, випромінюють видимі і ультрафіолетові промені. Для характеристики теплового випромінювання користуються поняттям повної променевипромінювальної та спектральної променевипромінюювальної здатності r (λ).

Повною променевипромінювальною здатністю Re, або енергетичною світимістю тіл, називають фізичну величину, що чисельно дорівнює потужності випромінювання з одиниці площі поверхні тіла. Розподіл енергії за довжиною хвиль визначається спектральною променевипромінювальною здатністю, що дорівнює потужності, яка випромінюється з одиниці площі поверхні тіла в одиничному інтервалі довжин хвиль.

rλ = ΔRλ / Δλ. (1)

Тут ΔRλ – потужність випромінювання з одиниці площі поверхні в інтервалі довжин хвиль від λ до λ + Δλ.

Одночасно з випромінюванням тіло поглинає випромінювання, що падає на нього. Для характеристики поглинальної здатності тіл користуються спектральною променепоглинальною здатністю аλ). Спектральною променепоглинальною здатністю тіл називають відношення променевої енергії ΔW/λ поглинутої тілом в інтервалі довжин хвиль від λ до λ + Δλ, до падаючої на нього енергії ΔWλ в тому ж діапазоні довжин хвиль:

аλ = ΔW/λ /ΔWλ. (2)

В нерівноважному стані температура тіла може підвищуватись або знижуватись в залежності від того, переважає поглинання чи випромінювання енергії тілом. В стані рівноваги енергія, що поглинається, дорівнює тій, що випромінюється, і температура тіла залишається сталою. Для тіл в стані термодинамічної рівноваги справедливий закон Кірхгофа: відношення променевипромінювальної здатності тіла до його променепоглинальної здатності не залежить від природи тіла, є універсальною функцією довжини хвилі випромінювання та температури і являє собою променевипромінювальну здатність абсолютно чорного тіла ( АЧ Т ) при тій же температурі.

rλ / aλ = f ( λ, T ). (3)

Абсолютно чорним тілом називається таке тіло, променепоглинальна здатність якого дорівнює одиниці в усьому діапазоні довжин хвиль. Моделлю АЧТ може бути зачорнена порожнина циліндра з обох торців, в одному з яких є малий отвір. Для АЧТ експериментально встановлені такі закони.

1. Закон Стефана-Больцмана: енергетична світимість АЧТ пропорційна червертій степені абсолютної температури тіла

Re = σT4, (4)

де σ = 5,67.10 -8 Вт/(м2 К4) – стала закону Стефана-Больцмана.

2. Закон Віна: довжина хвилі, на яку припадає максимум променевипромінювальної здатності АЧТ, обернено пропорційна абсолютній температурі тіла:

λmax = C / T, (5)

де С = 2,90 .10 -3 м К - стала закону Віна.

Закон випромінювання АЧТ достатньо точно виконується для газової оболонки Сонця, для отворів в печах, для пористих зачорнених поверхонь інших тіл.

Загальний вигляд універсальної функції f (λ, T) теоретично обгрунтував М. Планк в 1900 р. Вигляд цієї функції такий:

f ( λ, T ) = , (6)

де А і В - сталі коефіцієнти.

Як видно з наведених формул (4) і (5), за виміряними Re та λmax можна робити висновки про температуру АЧТ. На цьому основані методи оптичної пірометрії, а саме в одному з методів використовується закон Віна, в якому за знайденою λmax визначають температуру тіла

T = С / λmax. (7)

В даній лабораторній роботі вивчається метод визначення температури за допомогою оптичного пірометра зі зникаючою ниткою (рис. 1) В цьому методі порівнюють яскравість досліджуваного тіла з яскравістю нитки еталонної лампи пірометра. При однаковій яскравості досліджуваного тіла і нитки еталонної лампи пірометра температура тіла вважається однаковою з температури нитки, якщо досліджуване тіло можна вважати АЧТ. В пірометрі різке зображення еталонної нитки розжарення одержують через переміщення окуляра. Різке зображення досліджуваного тіла одержують переміщенням об’єктива і самого пірометра. Зображення еталонної нитки має бути суміщене з зображенням досліджуваного тіла. Для виділення інтервалу довжин хвиль близько λ=660 нм застосовують червоний світлофільтр, що вводиться в поле зору окуляра. При вимірюваннях, поступово повертаючи кільце реостата пірометра, змінюють опір в колі розжарення еталонної нитки і підбирають такий електрострум, щоб яскравість еталонної нитки співпадала з яскравістю досліджуваного тіла.

Стрілка гальванометра на пірометрі показує при цьому температуру еталонної нитки (шкала пірометра має градуювання за температурою АЧТ) .

Для реальних тіл при вимірюваннях вводиться поправка, яка враховує їх відміну від АЧТ. При однаковій яскравості в області довжин хвиль істинна температура Т і визначена за шкалою пірометра Т/, пов’язані співвідношенням

1/Т - 1/Т/ = ln aλ / b, (8)

де aλ - спектральна поглинальна здатність досліджуваного тіла; b= В/λ В- з формули Планка).

Для тіл, випромінювання яких близьке до випромінювання АЧТ, lnaλ близький до 0, тому для них Т = Т/.

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Зберіть схему згідно з рис.2 і за допомогою реостата доведіть розжарення нитки досліджуваної лампи до мінімального свічення.

2. Сумістіть поділку 0 поворотного кільця реостата і корпуса пірометра і під’єднайте до джерела струму, суворо дотримуючись полярності.

3. Спостерігаючи в окуляр, доможіться слабкого розжарення еталонної нитки поворотом кільця пірометра за годинниковою стрілкою.

4. Переміщуючи окуляр, одержить чітке зображення еталонної нитки. Наведіть пірометр на нитку досліджуваної лампи і переміщенням об’єктиву доможіться її різкого зображення.

5. Введіть в поле зору червоний світлофільтр.

6. Поворотом кільця реостата добийтеся однакової яскравості еталонної і досліджуваної ниток в місці їх перетину. Запишіть показання пірометра Т/. На чільному боці пірометр має три шкали для вимірювань температур від 800˚С до 5000˚С. В даній роботі використовується перша шкала. При використанні інших шкал в поле зору вводяться димчасті світлофільтри.

 

 

Рис. 1

Рис.2

 

7. Запишіть показання амперметра I і вольтметра U в колі досліджуваної лампи.

8. Змінюючи з допомогою реостата R (рис. 1) розжарення лампи Л і кожен раз виконуючи дії пунктів 6 –7, зробіть вимірювання температури для п’яти значень потужності, споживаної лампою Л, починаючи з мінімальної і закінчуючи тією, котра не виходить за межі температур 1000-1100˚С.

9. Вимкніть струм в пірометрі і вимкніть лампу Л.

10. За формулою (8) визначіть істинну температуру, приймаючи для вольфрамої нитки а λ = 0,8 і b = 95600 (ln а λ = - 0,22).

11. Обчисліть потужність, споживану лампою Л, за співвідношенням P=I.U. Дані вимірювань та розрахунків подайте в таблиці:

 

I U P T’ T
           

 

12. Побудуйте графік залежності температури нитки лампи розжарення від споживаної потужності.

 

Дайте відповіді на запитання:

1. Які тіла можна вважати абсолютно чорними?

2. Які методи вимірювання температури Вам відомі?

3. При яких температурах методи оптичної пірометрії є єдино можливими методами вимірювання температури?

 

Лабораторна робота №45.







Последнее изменение этой страницы: 2016-04-18; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.206.48.142 (0.009 с.)