LABORATORIUM FIZYKI OGÓLNEJ

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 30

TEMAT: POMIAR TEMPERATURY PIROMETREM OPTYCZNYM.

I.CEL CWICZENIA.

• celem ćwiczenia jest zapoznanie się z jedną z metod pomiaru temperatury

II.OPIS 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 częścią 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 wartości temperatury czarnej T_CZ 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(,T_CZ)=A(T_RZ)E(,T_RZ)

¯Żarówka jest wpuszczona w jedno z ramion mostka Wheatstone'a, a galwanometr G w jego przekątną. Metoda pomiarowa wykorzystuje własności włókna żarówki polegającą na wzroście jego rezystancji wraz ze wzrostem temperatury. Zmniejszając wartości rezystancji R wzrasta temperatura 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 =0.0144 [mK]

=650 [nm]

III.PRZEBIEG ĆWICZENIA.

1. WYZNACZANIE ZALEŻNOŚCI MOCY POBRANEJ PRZEZ ŻARÓWKĘ OD TEMPERATURY JEJ WŁÓKNA.

2. OBLICZENIE BŁĘDU ŒREDNIOKWADRATOWEGO POJEDYŃCZEGO POMIARU DLA KAŻDEGO ZAKRESU PIROMETRU.

Przyrz¹dy pomiarowe:

- voltomierz kl = 1.5

- amperomierz kl = 0.5

UK£AD POMIAROWY

TABELA POMIAROWA

Lp.	U [V]	U [V]	I [A]	I [A]	P [W]	P [W]	TCZ [C]	TRZ [C]
1	2.00	0.15	1.58	0.04	3.16	0.31	1130	1175
2	3.00	0.15	1.90	0.04	5.70	0.40	1380	1448
3	4.00	0.15	2.27	0.04	9.08	0.50	1650	1748
4	5.00	0.15	2.40	0.04	12.00	0.55	1720	1827
5	6.00	0.15	2.61	0.04	15.66	0.62	1960	2100
6	7.00	0.15	2.88	0.04	20.16	0.70	2350	2554
7	8.00	0.15	3.05	0.04	24.40	0.76	2500	2733
8	9.00	0.15	3.30	0.04	29.70	0.84	2560	2805
9	10.00	0.15	3.55	0.04	35.50	0.90	2600	2853

Rachunek błędów i przykładowe obliczenia:

WYZNACZENIE BŁĘDU ŚREDNIOKWADRATOWEGO

	zakres 1		zakres 2			zakres 3
Lp.	TCZ [C]	TRZ [C]		TCZ [C]	TRZ [C]		TCZ [C]	TRZ [C]
1	1325	1387		1660	1759		2230	2413
2	1310	1371		1740	1849		2380	2590
3	1338	1401		1710	1815		2540	2781
4	1331	1394		1690	1793		2420	2637
5	1310	1371		1710	1815		2500	2733
6	1360	1426		1720	1827		2380	2590
7	1370	1437		1660	1759		2400	2614
8	1330	1393		1660	1759		2380	2590
9	1340	1404		1710	1815		2420	2637
10	1345	1409		1740	1849		2440	2661
średnia	1399		1804			2625
b³¹d  [C]	21		35			98

Dyskusja b³êdów i przyk³adowe obliczenia:

IV.DYSKUSJA 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 T_CZ .

 - niezbyt dobra stabilizacja napięcia zasilającego żarówkę, a tym samym mocy wydzielanej na żarówce.

 - mierniki używane w ćwiczeniu miały określoną klasę dokładności (amperomierz-0.5, woltomierz-1,5) co wpłynęło bezpośrednio na błędy wyznaczenia napięcia i prądu i pośrednio na błąd dotyczący mocy wydzielonej na badanej żarówce.

Pirometr optyczny monochromatyczny z zanikającym włóknem służy do pomiaru temperatur w zakresie około 800 - 2300C. W przypadku temperatur z górnej części zakresu stosuje się osłabiacz zmniejszający w określony sposób natężenie promieniowania . Po zastosowaniu większej ilości osłabiaczy możliwy jest pomiar wyższych temperatur jednak jego dokładność będzie zdecydowanie niższa. Pirometry wykorzystywane są m. in.

w metalurgii do pomiarów temperatur wewnątrz pieców.

Wielkość błędów średnich kwadratowych wyznaczonych przy seriach 10-pomiarów okazała się niewielka , najwyższy z nich nie przekroczy³ 3.8% wielkości mierzonej . Wydaje się więc, że dokładność pomiarów jest dość dobra.

6