Cel üwiczenia
Celem üwiczenia było zapoznanie siĊ z pojĊciem promieniowania termicznego, wielkoĞciami i
jednostkami radiometrycznymi, prawami promieniowania ciała doskonale czarnego, metodą pomiaru
temperatury pirometrem optycznym w zakresie od 800
o
C do 2500
o
C oraz okreĞlenie temperatury włókna
badanej Īarówki w zaleĪnoĞci od dostarczonej mocy.
Układ i metody pomiarowe
Pomiarów dokonywaliĞmy za pomocą pirometru optycznego. Schemat pirometru, z którego
korzystaliĞmy, prezentuje rysunek:
Obiektyw tego pirometru tworzył obraz badanego ciała w płaszczyĨnie włókna Īarówki umieszczonej
przed okularem. Obserwator patrząc przez okular pirometru widział włókno Īarówki pirometrycznej na tle
obrazu badanego ciała. W okularze znajduje siĊ filtr szklany, przepuszczający tylko niewielki przedział
promieniowania. EmitancjĊ włókna Īarówki pirometrycznej regulowaliĞmy zmieniając rezystancjĊ w obwodzie
zasilania. Podczas pomiarów dąĪyliĞmy do sytuacji, w której włókno Īarówki pirometru było takiej samej
barwy co ciało badane. Wówczas odczytana na pirometrze temperatura była temperaturą czarną ciała
rzeczywistego. NastĊpnie korzystając ze wzoru:
1
1
2
T
T
C
A
T
rz
cz
cz
=
+
λ
λ
ln ( ,
)
,
gdzie: C
2
=1,44*10
-2
[m*K], A=0,4752-2*10
-5
[1/K]*T
cz
[K], Ȝ=650nm
obliczyliĞmy temperaturĊ rzeczywistą badanego ciała.
Badanym przez nas ciałem było włókno Īarówki zasilanej w układzie wg poniĪszego schematu:
Pomiary i obliczenia
Pomiary zostały dokonane przy pomocy przyrządów:
•
Pirometru optycznego, charakterystyka:
- ¨T
cz
= 10 °C dla I zakresu 800-1400°C
- ¨T
cz
= 10 °C dla II zakresu 1200-2000°C
- ¨T
cz
= 50°C dla III zakresu 1800-5000°C
•
Zasilacza Stabilizowanego P 340
•
Amperomierza prądu stałego LM-3, charakterystyka:
- klasa przyrządu: 0,5
- zakres pomiaru: 3 A dla I i II zakresu temperaturowego pirometru; 7,5 A dla III zakresu
•
Woltomierza napiĊcia stałego, charakterystyka:
- klasa przyrządu: 1,5
- zakres pomiaru: 10 V dla wszystkich trzech zakresów temperaturowych pirometru.
Kilkukrotne pomiary tych samych temperatur w kaĪdym z zakresów, prezentuje tabela:
Tabela 1. Kilkukrotne pomiary tych samych temperatur
T
cz
[
o
C]
U[V]
I[mA]
T
cz Ğrednia
[
o
C] T
cz Ğrednia
[K]
ǻ
T
cz
1 090
1 110
1 110
1 120
1 120
1 125
1 130
1 150
1 190
2
1 500
1 127,22
1 400,22
9,54
900
900
900
910
910
Zakres I
800-1400
o
C
940
1,4
1 300
910,00
1 183,00
6,32
1470
1480
1490
1500
1510
1510
3,6
2 050
1 493,33
1 766,33
6,67
1860
1750
1810
1840
1850
Zakres II
1200-2000
o
C
1870
6,2
2 800
1 830,00
2 103,00
18,07
2100
2100
2150
2150
2170
2180
8
3 100
2 141,67
2 414,67
14,00
2150
2150
2150
2250
2250
2300
2300
2330
2350
Zakres III
1800-5000
o
C
2450
10
3 500
2 268,00
2 541,00
31,30
(
)
K
235,45
1
0,000809
T
K
1
0,000809
-0,79421)
(
*
0,0144
10
*
650
1183
1
)
(
ln
1
1
1
rz
9
2
=
=
≈
+
=
+
=
−
−
cz
cz
rz
T
A
C
T
T
λ
Obliczenie niepewnoĞci pomiaru T
rz
metodą róĪniczki zupełnej:
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
K
T
A
T
C
A
T
T
A
T
T
A
T
C
C
T
T
cz
cz
cz
cz
cz
cz
cz
cz
rz
9
,
6
-0,795091
*
10
*
650
*
1183
0,0144
0,45154
10
*
2
*
10
*
650
*
1183
-0,795091
*
10
*
650
*
1183
-0,795091
*
10
*
650
*
1183
0,0144
*
0,0144
*
32
,
6
)
(
ln
*
*
10
*
2
*
*
)
(
ln
*
*
)
(
ln
*
*
*
*
2
9
5
9
9
9
2
2
5
2
2
≈
≈
+
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§
+
−
+
=
=
+
¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§
+
−
+
∆
=
∆
−
−
−
−
−
−
λ
λ
λ
λ
Pozostałe obliczenia zostały wykonane analogicznie.
Wnioski koĔcowe
Przy pomiarze temperatury ciała nieczarnego, pirometr monochromatyczny wskazuje temperaturĊ
luminacyjną, niĪszą niĪ wartoĞü jej temperatury rzeczywistej. W celu odczytania temperatury rzeczywistej
najwygodniej jest posłuĪyü siĊ nomogramem. My jednak wszystkie otrzymane temperatury rzeczywiste
obliczyliĞmy ze wzoru w kelwinach, nastĊpnie przeliczaliĞmy na stopnie Celsjusza i porównaliĞmy z
wartoĞciami odczytanymi z nomogramu. Początkowo wartoĞci te były identyczne, jednak ze wzrostem
mierzonej temperatury włókna pojawiały siĊ coraz wiĊksze rozbieĪnoĞci miĊdzy wartoĞciami otrzymanymi ze
wzoru, a wartoĞciami odczytanymi z nomogramu. TrudnoĞcią była coraz mniejsza podziałka na nomogramie, co
znacząco wpłynĊło na te róĪnice.
Aby wykreĞliü zaleĪnoĞü temperatury rzeczywistej od mocy musieliĞmy wyliczyü obie te wartoĞci.
Efekty koĔcowe obliczeĔ wyglądają nastĊpująco:
•
Dla P= (1,82 ± 0,22) W
T
rz
=(1 235,45 ± 6,90) K
•
Dla P= (2,61 ± 0,25) W
T
rz
=(1 367,37 ± 11,01) K
•
Dla P= (3,00 ± 0,26) W
T
rz
=(1 475,26 ± 10,59) K
•
Dla P= (3,96± 0,29) W
T
rz
=(1 567,85 ± 11,18) K
•
Dla P= (5,04± 0,32) W
T
rz
=(1 703,31 ± 11,29) K
•
Dla P= (5,74± 0,35) W
T
rz
=(1 890,10 ± 7,63) K
•
Dla P= (12,25± 0,45) W
T
rz
=(1 840,26 ± 11,41) K
•
Dla P= (17,36± 0,52) W
T
rz
=(2 284,44 ± 21,33) K
•
Dla P= (24,80± 0,77) W
T
rz
=(2 661,60 ± 17,01) K
•
Dla P= (35,00± 0,90) W
T
rz
=(2 818,04 ± 38,49) K
Na podstawie w/w punktów powstał wykres znajdujący siĊ na nastĊpnej stronie. Widaü z niego , Īe
zaleĪnoĞü temperatury rzeczywistej od mocy pobranej przez ĪarówkĊ ma charakter krzywej logarytmicznej.
Pomiary wykonane kilkukrotnie znajdują siĊ bliĪej linii trendu. Natomiast te wykonane tylko raz dalej,
przykładem moĪe byü pomiar nr 7, który mimo tego, Īe leĪy najdalej ze wszystkich od linii trendu, nie
kwalifikował siĊ do odrzucenia na mocy kryterium Chauveneta.
Temperatury rzeczywiste wyznaczaliĞmy na podstawie pomiarów wykonanych pirometrem z filtrem
czerwonym. Stosowane w pirometrach filtry czerwone mają tak dobrany zakres długoĞci fal, w którym
przepuszczają promieniowanie widzialne, Īe współpracując z okiem ludzkim umoĪliwiają obserwowanie ciała
badanego i włókna Īarówki pirometru w wąskim paĞmie długoĞci fal, a wiĊc w jednej barwie. Fakt ten
umoĪliwia unikniĊcie błĊdów wynikających z subiektywnoĞci oceny barwy przez róĪnych obserwatorów. Mimo
tego udogodnienia nasze pomiary nie były zadowalająco dokładne. Widaü to szczególnie przy pomiarach
wykonanych na zakresie III, podczas wielokrotnego pomiaru tej samej temperatury, gdzie rozbieĪnoĞci
badanych temperatur były najwyĪsze. Pomijając dokładnoĞü miernika na tym zakresie, bezpoĞredni wpływ na
otrzymane wyniki miało zmĊczenie oka obserwatora. MoĪliwe, Īe gdybyĞmy zaczĊli pomiary od zakresu III
nasze punkty na wykresie leĪały by bliĪej krzywej logarytmicznej. Jednak kosztem takiego sposobu pomiaru
byłby czas niezbĊdny do pierwszego nagrzania siĊ włókna Īarówki.
