Opiekun: dr Piotr Biegański |
Imię Nazwisko: Joanna Cochur Wydział/kierunek: SKP Termin zajęć: Piątek godz. 9:15 |
---|---|
Temat: Pomiar temperatury pirometrem optycznym |
Nr ćwiczenia: 30 |
Termin wykonania ćwiczenia: 29.05.2009 |
Termin oddania sprawozdania: 05.06.2009 |
1. Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z jedną z metod pomiaru temperatury.2. Wstęp teoretyczny. Każde ciało znajdujące się w temperaturze wyższej niż 0 K jest źródłem promieniowania termicznego, wywołanego ruchem cieplnym cząsteczek i atomów. W chwili, gdy ciało osiąga temperaturę 950 K zaczyna emitować promieniowanie widzialne - początkowo tylko czerwoną część widma, które następnie stopniowo się rozszerza, tak aby przy 1800 K objąć cały zakres widzialny. Pirometrią nazywa się metody pomiaru temperatury ciał polegające na porównywaniu ich całkowitej lub spektralnej zdolności emisyjnej. Urządzenia służące do pomiaru wysokich temperatur i wykorzystujące powyższą własność noszą nazwę pirometrów optycznych . W niniejszym ćwiczeniu do pomiaru temperatur został wykorzystany pirometr optyczny monochromatyczny z zanikającym włóknem. Obserwator patrzący przez okular (w którym znajduje się filtr przepuszczający tylko promieniowanie o barwie czerwonej (=650 nm)) widzi włókno żarówki (znajdującej się wewnątrz pirometru) na tle obrazu badanego ciała: zachodzą trzy możliwe przypadki: a) włókno jaśniejsze od badanego ciała, b) włókno znika w tle, c) włókno ciemniejsze od badanego ciała;W chwili, gdy włókno żarówki znika na tle badanego ciała ze skali galwanometru G (wyskalowanego w jednostkach temperatury [C]) odczytuje się wartość temperatury czarnej TCZ badanego ciała, czyli temperatury ciała doskonale czarnego (ciała o 100-procentowej zdolności emisji i absorpcji w każdej temperaturze), które w pewnym małym umownym przedziale długości fal promieniuje z takim samym natężeniem jak badany obiekt:E(,TCZ)=A(TRZ)E(,TRZ)Żarówka jest włączona w jedno z ramion mostka Wheatstone'a, a galwanometr G w jego przekątną. Metoda pomiarowa wykorzystuje własność włókna żarówki polegającą na wzroście jego rezystancji wraz ze wzrostem temperatury. Zmniejszając wartość rezystancji R powoduje się wzrost temperatury włókna, a tym samym wychylenie wskazówki galwanometru (który do temperatury około 800C pozostaje niewzbudzony, gdyż mostek jest zrównoważony) proporcjonalne do temperatury badanego ciała.Związek pomiędzy temperaturą czarną i temperaturą rzeczywistą można wyznaczyć z następującej równości:z której po uproszczeniu otrzymuje się: C2 = 1,44 * 10-2 [mK] = 650 *10-9 [m] A = 0.4752 – 2*10-5 $\lbrack\frac{1}{K}\rbrack$ * Tcz [K]
Wzory wykorzystane w obliczeniach:
Wartości do przyjęcia:
klV = 1,5 [%] − klasa woltomierza,
Uv = 10 V − zakres woltomierza,
φa = 0,5 [%] – względny błąd podstawowy amperomierza,
2 digit = 0,02 A − bezwzględny błąd amperomierza,
$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\Delta U = \frac{\text{kl}_{v}*U_{v}}{100} = \ \frac{1,5*10}{100} = 0,15\lbrack V\rbrack$$
$$\text{\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ }\Delta I = \ \frac{\varphi_{a}*I}{100} + 2\text{dgt}$$
P = U * I
$$P = \left( \frac{U}{U} + \frac{I}{I} \right)*P$$
$$T_{sr}^{} = \sum_{i = 1}^{n}\frac{T_{1} + T_{2} + \ldots + T_{n}}{n}$$
$$T_{\text{rz}} = {\lbrack\frac{1}{T_{\text{cz}}} + \frac{\lambda}{C_{2}}*\text{lnA}(T_{\text{cz}})\rbrack}^{- 1}$$
$$T_{sr}\ \text{jak}\ i\ T_{\text{rz}}\ \text{liczymy}\ \text{ze}\ \text{wzoru}\ \frac{2*odch\text{ylenie}\ \text{standardowe}}{{\sqrt{\text{ilo}sc\ \text{pomiar}ow}\ }^{}}$$
Dla pierwszego zakresu
$$\Delta I = \frac{0,5*1,35}{100} + 0,02 = 0,03\ \lbrack A\rbrack$$
P = 1,4 * 1,36 = 2 [W]
$$\Delta P = \left( \frac{0,15}{1,4} + \frac{0,03}{1,36} \right)*2 = 0,3\ \lbrack W\rbrack$$
$$T_{sr} = \frac{1323 + 1293 + \ldots + 1303}{10} = 1300\ \lbrack K\rbrack$$
$$\Delta T_{sr} = \frac{2*16,36}{\sqrt{10}} = 10\ \lbrack K\rbrack$$
$$T_{\text{rz}} = \lbrack\frac{1}{1300} + \frac{6,5*10^{- 7}}{1,44*10^{- 2}}*5,63\rbrack^{- 1} = 1364\lbrack K\rbrack$$
$$\Delta T_{\text{rz}} = \frac{2*18,07}{\sqrt{10}} = 11\lbrack K\rbrack$$
$$\Delta{\% T}_{\text{rz}} = \frac{11}{1364}*100\% = 0,8\%$$
Prawidłowo zapisane wyniki końcowe:
|
Tcz8 = (2570±41) [K] Tcz9 = (2869±23) [K] |
---|
Błędy wyliczone w trakcie wykonywania ćwiczenia powstały w wyniku następujących przyczyn:
- niedoskonałości ludzkiego oka, które nie pozwala na dokładne wyznaczenie momentu
kiedy barwa badanego ciała jest identyczna z barwą włókna żarówki pirometru. Dlatego
wystąpiły duże rozbieżności w odczycie TCZ (sięgające 50C).
- mierniki używane w ćwiczeniu miały określoną klasę dokładności (amperomierz-0.5 oraz woltomierz-1.5) co wpłynęło bezpośrednio na błędy wyznaczenia napięcia i prądu oraz na błąd dotyczący obliczenia mocy wydzielonej na badanej żarówce.
Pirometr optyczny monochromatyczny z zanikającym włóknem służy do pomiaru temperatur w zakresie około 800 - 5000C. Brak odczytania temperatur rzeczywistych dla temperatur czarnych zakresu pomiarowego nr 3 wynika z nie uwzględnienia w nomogramie wartości temperatury czarnej powyżej 2500oC.
Oprócz wyznaczenia wartości temperatur rzeczywistych wyznaczyliśmy także charakterystykę temperatury rzeczywistej od mocy pobieranej przez badaną żarówkę. Uzyskane przez nas punkty pomiarowe oscylowały wokół krzywej logarytmicznej. Tak więc zależność temperatury od mocy pobieranej ma charakter logarytmiczny (dla stałych przyrostów mocy przyrosty temperatury są coraz mniejsze).