3. Никитенко В.А., Кокин С.М. Физика. Часть III. Конспект лекций. – М.: МИИТ, 2007. – 196 с.
Работа 50
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕТЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
С ПОМОЩЬЮ РАДИАЦИОННОГО ПИРОМЕТРА
Цель работы. Изучение работы радиационного пирометра «Тера–50» и измерение с его помощью температуры нагретого тела (спирали лампы накаливания при различных значениях подводимой к ней мощности).
Введение
Электромагнитное излучение, испускаемое нагретым телом, находящимся в состоянии термодинамического равновесия, называется тепловым (или температурным) излучением. При тепловом излучении внутренняя энергия тела, обусловленная движением составляющих его частиц, непрерывно переходит в энергию испускаемых ими электромагнитных волн.
Полной испускательной способностью (энергетической светимостью) тела RТ называется энергия, испускаемая единицей поверхности тела по всем направлениям в единицу времени в виде электромагнитных волн с разной длиной волны. Она определяется с помощью соотношения
RT = 
[Вт/м2],
(1)
где rl,T – спектральная испускательная способность, т. е. количество энергии, излучаемой по всем направлениям за единицу времени с единицы поверхности источника в единичном интервале длин волн.
Все тела, находящиеся при температуре, отличной от температуры абсолютного нуля, излучают в пространство лучистую энергию. Однако различные тела при одинаковой температуре излучают не одинаковое количество энергии. Наибольшее количество энергии излучает так называемое абсолютно черное тело (а. ч. т.), обладающее максимально возможной испускательной способностью при данной температуре. (Абсолютно черное тело – это понятие, означающее тело, которое полностью поглощает падающее на него излучение. Абсолютно черных тел в природе не существует, но имеются устройства, хорошо моделирующие а. ч. т.). Испускательные способности всех остальных тел меньше, чем у абсолютно черного тела.
Полная испускательная способность абсолютно черного тела определяется температурой а. ч. т. в соответствии с законом Стефана-Больцмана:
RTа.ч.т. = sT4, (2)
где s – постоянная Стефана-Больцмана (s = 5,67×10-8 Вт×м-2×К-4); Т – абсолютная термодинамическая температура.
Этот закон можно использовать для измерения температуры нагретых тел. Приборы для измерения температуры, основанные на измерении теплового излучения нагретых тел, называются пирометрами.
Поскольку интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тела, то пирометры применяются, в основном, для измерения относительно высоких температур. Так, при t > +1000°С они играют уже основную роль, а при t > +3000°С становятся практически единственными приборами измерения температуры. Наиболее чувствительными (но не очень точными) являются радиационные пирометры или пирометры суммарного излучения. В таких приборах излучение исследуемого нагретого тела фокусируется на термоприемник пирометра, который преобразует энергию излучения в электрическую, измеряемую с помощью электроизмерительного прибора.
Если предварительно провести градуировку электроизмерительного прибора относительно известных температур а. ч. т., то в дальнейшем можно измерять этим пирометром температуры других а. ч. т.
Однако, если с помощью отградуированного таким образом пирометра измеряется температура не абсолютно черного, а реального тела, то полученное значение температуры ТР будет отличаться от действительной температуры тела Т (ТР будет меньше Т, так как испускательная способность нечерного тела всегда меньше испускательной способности а. ч. т.). Температуру ТР называют радиационной температурой тела.Она равна такой температуре а. ч. т., при которой его полная испускательная способность RTРа.ч.т.равна полной испускательной способности RT исследуемого тела при его действительной температуре Т:
RT = RTРа.ч.т. = s TР4.
Если определить полный коэффициент поглощения тела aТ (коэффициент черноты) как отношение полной испускательной способности данного тела к полной испускательной способности абсолютно чёрного тела при одной и той же температуре Т:
aТ = RT / RTа.ч.т. < 1,
то между истинной (термодинамической) Т и радиационной ТРтемпературами можно установить соотношение:
Т = ТР/
.
(3)
Зная величину aТ для данного тела, можно по известной радиационной температуре определить его истинную температуру. Например, для вольфрамовой спирали лампы накаливания в диапазоне изменения радиационной температуры от 1100 до 1400 К коэффициент aТ = 0,24 ± 0,01.
Метод 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 приво
 |
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.