ĆWICZENIE 22

POMIAR TEMPERATURY PIROMETREM OPTYCZNYM

CELEM ĆWICZENIA JEST ZAPOZNANIE SIĘ Z JEDNĄ Z METOD POMIARU TEMPERATURY .

1 . 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 m K

=650 nm

A( , TCZ)=0.46

2 . PRZEBIEG POMIARÓW I OBLICZEŃ .

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

Układ pomiarowy

W powyzszym układzie regulujemy za pomocą autotransformatora napięcie U na żarówce co powoduje zmianę natężenia prądu I , a tym samym natężenia oświetlenia . Wykonujemy 10 pomiarów w całym zakresie 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 można wyznaczyć ze wzoru :

P=UI

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

U=KL.Voltomierza*Zakres pomiarowy=0.5%*150V=0.75V

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

P=UI+UI

Końcowy wynik , czyli temperaturę rzeczywistą TRZ wyliczamy ze wzoru :

I	U	P	P	tCZ	TCZ	TRZ
[A]	[V]	[W]	[W]	[C]	[K]	[K]
0.109	35	3.815	0.087	880	1153,15	1201,723
0.115	40	4.600	0.092	950	1223,15	1277,940
0.128	50	6.400	0.103	1055	1328,15	1392,999
0.139	60	8.340	0.113	1160	1433,15	1508,951
0.150	70	10.500	0.123	1250	1523,15	1609,056
0.161	80	12.880	0.133	1350	1623,15	1721,069
0.180	100	18.000	0.150	1520	1793,15	1913,414
0.201	125	25.125	0.169	1620	1893,15	2027,704
0.225	150	33.750	0.191	1735	2008,15	2160,205
0.258	195	50.310	0.223	1890	2163,15	2340,620

b) 10-krotne pomiary wartości temperatury dla dolnej , środkowej i górnej części skali pirometru , oraz wyznaczenie błędów średnich kwadratowych pojedynczych pomiarów ze wzoru :

- część dolna skali :

U=50V

I=0.128A

P=6.4W

L.p.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
tCZ[C]	1060	1070	1060	1055	1065	1070	1060	1065	1070	1055
TCZ[K]	1333.15	1343.15	1333.15	1328.15	1338.15	1343.15	1333.15	1338.15	1343.15	1328.15
TRZ[K]	1398.40	1409.41	1398.40	1392.90	1403.90	1409.41	1398.40	1403.90	1409.41	1392.90
TRZ[K]	2.0	8.81	2.0	7.7	3.3	8.81	2.0	3.3	8.81	7.7

TRZŚR=1400.6 K

TCZ=6.54 K

- środkowa części skali :

U=80V

I=0.161A

P=12.88W

L.p.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
tCZ[C]	1335	1360	1330	1325	1355	1320	1330	1325	1350	1335
TCZ[K]	1608.15	1633.15	1603.15	1598.15	1628.15	1593.15	1603.15	1598.15	1623.15	1608.15
TRZ[K]	1704.06	1732.16	1698.45	1692.84	1726.54	1687.23	1698.45	1692.84	1720.91	1704.06
TRZ[K]	1.69	26.41	7.3	12.91	20.79	18.52	7.3	12.91	15.16	1.69

TRZŚR=1705.75 K

TCZ=15.45 K

- dolna cześć skali :

U=150V

I=0.225A

P=33.75W

L.p.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
tCZ[C]	1775	1750	1705	1750	1725	1750	1690	1750	1760	1745
TCZ[K]	2048.15	2023.15	1978.15	2023.15	1998.15	2023.15	1963.15	2023.15	2033.15	2018.15
TRZ[K]	2206.30	2177.33	2125.29	2177.33	2148.40	2177.33	2107.99	2177.33	2188.91	2171.54
TRZ[K]	40.53	11.56	40.48	11.56	17.37	11.56	57.78	11.56	23.14	5.77

TRZŚR=2165.77K

TRZ=29.1K

c) wyznaczenie wykresu zależności temperatury włókna żarówki od mocy pobieranej przez nią ze źródła napięcia .

3 . 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 85C) .

- skoki napięcia w sieci zasilającej autotransformator powodujące zmiany wartości prądu i napięcia (nawet do 2V) , a tym samym mocy wydzielanej na badanej żarówce oraz jej zdolności emisyjnej .

- mierniki używane w ćwiczeniu miały określoną klasę dokładności (0.5) co wpłynęło bezpośrednio na błędy wyznaczenia napięcia i prądu i pośrednio na błąd dotyczacy 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 srednich kwadratowych wyznaczonych przy seriach 10-pomiarów okazała sie niewielka , najwyższy z nich nie przekroczył 1.5% wielkości mierzonej . Wydaje sie wiec że dokładność pomiarów jest zadowalająca .

WYKRES ZALEŻNOŚCI TEMPERATURY WŁÓKNA ŻARÓWKI OD POBRANEJ MOCY

---