POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI
Tomasz Usowski	Sprawozdanie z ćwiczenia nr 22 Temat: Pomiar temperatury pirometrem optycznym.
Wydział Elektroniki Rok I	Data: 07.03.1996	Ocena:

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z jedną z metod pomiaru temperatury.

tyck

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, gdyz 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=0.0144 mK

=650 nm

A(, TCZ)=0.46

3. Wyniki pomiarów i obliczenia.

a) pomiar zależności temperatury rzeczywistej wolframowego włókna żarówki w zależności od pobieranej mocy:

Układ pomiarowy

W powyzszym układzie regulujemy za pomocą zasilacza napięcie U na żarówce, co powoduje zmianę natężenia prądu I, a tym samym natężenia oświetlenia. Wykonujemy 10 pomiarów w trzech zakresach wskazań pirometru, który jest wyskalowany w C, a więc konieczne jest przeliczenie wyników zgodnie ze wzorem:

TCZ=tCZ+273.15

Wartość mocy wydzielonej na żarówce oblicza się ze wzoru:

P=UI

Na podstawie klasy dokładności stosowanych mierników oraz ich zakresów pomiarowych można wyznaczyć błędy:

U=KL.Voltomierza*Zakres pomiarowy=1.5%*10V=0.15V

I=KL.Amperomierza*Zakres pomiarowy=0.5%*0.3A=150mA

P=UI+UI

Końcowy wynik, czyli temperaturę rzeczywistą TRZ wyliczamy ze wzoru:

Tabela trzech pierwszych pomiarów na poszczególnych zakresach:

zakres 1: zakres 2: zakres 3:

U[V]	1.5	1.8	2.5	2.8	3.4	3.8	8.0	8.5	9.0
I[mA]	1150	1350	1500	1600	1800	1950	3000	3100	3250
T[^oC]	1100	1300	1410	1550	1800	2000	3000	3200	3300

Zakres pomiarowy nr 1.

Lp.	U [V]	I [mA]	T [ ]	P [W]
1	1.5	1150	1120	1.725
2	1.5	1150	1100	1.725
3	1.5	1150	1120	1.725
4	1.5	1150	1130	1.725
5	1.5	1150	1110	1.725
6	1.5	1150	1080	1.725
7	1.5	1150	1110	1.725
8	1.5	1150	1090	1.725
9	1.5	1150	1080	1.725
10	1.5	1150	1070	1.725

Zakres pomiarowy nr 2.

Lp	U[V]	I [mA]	T [ ]	P[W]
1	3.4	1800	1780	6.12
2	3.4	1800	1810	6.12
3	3.4	1800	1800	6.12
4	3.4	1800	1770	6.12
5	3.4	1800	1780	6.12
6	3.4	1800	1820	6.12
7	3.4	1800	1800	6.12
8	3.4	1800	1830	6.12
9	3.4	1800	1810	6.12
10	3.4	1800	1790	6.12

Zakres pomiarowy nr 3.

Lp	U [V]	I [mA]	T [ ]	P[W]
1	8	3000	3000	24.0
2	8	3000	2990	24.0
3	8	3000	3050	24.0
4	8	3000	2950	24.0
5	8	3000	3020	24.0
6	8	3000	2970	24.0
7	8	3000	2950	24.0
8	8	3000	2950	24.0
9	8	3000	3000	24.0
10	8	3000	2990	24.0

Wyznaczenie błędu kwadratowego:

Dla zakresu pomiarowego nr 1.

n=10 - liczba pomiarów

Tśr = 1101

Dla zakresu pomiarowego nr 1 błąd średni kwadratowy wynosi 20.248
.

Dla zakresu pomiarowego nr 2.

n=10 - liczba pomiarów

Tśr = 1799

Dla zakresu pomiarowego nr 2 błąd średni kwadratowy wynosi 19.120
.

Dla zakresu pomiarowego nr 3.

n=10 - liczba pomiarów

Tśr = 2987

Dla zakresu pomiarowego nr 3 błąd średni kwadratowy wynosi 33.015
.

Zakres 1:

I	U	P	P
[mA]	[V]	[W]	[W]
1150	1.5	1.725	0.398

tCZ	TCZ	TRZ
[C]	[K]	[C]
1120	1393,15	1200,822
1100	1373,15	1160
1120	1393,15	1180
1130	1403,15	1190
1110	1383,15	1170
1080	1353,15	1140
1110	1383,15	1170
1090	1363,15	1150
1080	1353,15	1140
1070	1343,15	1130

Zakres 2:

I	U	P	P
[mA]	[V]	[W]	[W]
1800	3.4	6.12	0.78

tCZ	TCZ	TRZ
[C]	[K]	[C]
1780	2053,15	1930
1810	2083,15	1970
1800	2073,15	1960
1770	2043,15	1920
1780	2053,15	1930
1820	2093,15	1980
1800	2073,15	1960
1830	2103,15	1990
1810	2083,15	1970
1790	2063,15	1940

Zakres 3:

I	U	P	P
[mA]	[V]	[W]	[W]
3000	8.0	24.0	1.65

tCZ	TCZ	TRZ
[C]	[K]	[C]
3000	3273,15	-
2990	3263,15	-
3050	3323,15	-
2950	3223,15	-
3020	3293,15	-
2970	3243,15	-
2950	3223,15	-
2950	3223,15	-
3000	3273,15	-
2990	3263,15	-

Wykres zamieszczono na dołączonej kartce.

Wyznaczenie przykładowej temperatury rzeczywistej ze wzoru:

A = 0,476 -2*

K

Przykładowe obliczenia dla tcz=1393K:

4. Analiza błędów i wnioski.

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 100C).

- 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 dotyczacy 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 2500^oC.

---