Politechnika Wrocławska
INSTYTUT FIZYKI |
Sprawozdanie z ćwiczenia nr 22. |
Klaudiusz Fatla
|
Temat:
Pomiar temperatury pirometrem optycznym. |
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY, rok II |
Data: Ocena: 06 - 11 - 96 |
1. Zakres ćwiczenia :
Celem ćwiczenia było zapoznanie się z jedną z metod pomiaru temperatury.
2. Wiadomości ogólne :
Prawo Kirchhoffa:
Stosunek spektralnej emitancji ciała rzeczywistego do jego spektralnego współczynnika pochłaniania jest równy spektralnej emitancji ciała doskonale czarnego.
Planck opisał spektralną emitancję ciała doskonale czarnego wzorem:
gdzie
C1 = 3,74*10-16 [W m2]
C2 = 1,44*10-2 [m K]
Pirometria - metody pomiaru temperatury ciał, polegające na porównaniu ich całkowitej lub spektralnej zdolności emisyjnej. Przyrządy stosowane do tego celu nazywa się pirometrami.
Temperatura czarna (Tcz) danego ciała jest równa temperaturze ciała doskonale czarnego, które w pewnym małym, umownym przedziale długości fal (Δλ) ma takie samo natężenie strumienia promieniowania jak ciało mierzone.
Luminacja obrazu jest to emitancja obrazu w jednostkowy kąt bryłowy. Jest ona wprost proporcjonalna do luminancji badanego ciała i nie zależy od odległości tego ciała do pirometru (w doświadczeniu odległość ta wynosiła 80 cm).
3. Spis przyrządów :
- woltomierz MK-3, kl 1,5, wbudowany w zasilacz P340
- amperomierz LM-3, kl 0,5, nr fabryczny: 3703130.74
4. Wyniki pomiarów :
Tab. 1. Pomiary temperatury włókna żarówki i prądu pobieranego przez żarówkę.
|
Pomiar 1 |
Pomiar 2 |
Pomiar 3 |
|
Pomiar 1 |
Pomiar 2 |
Pomiar 3 |
|
|
|
|
Lp.
|
Tcz [K] |
Tcz [K] |
Tcz [K] |
Tcz śr [K] |
I1 [A] |
I2 [A] |
I3 [A] |
Iśr [A] |
ΔI [A] |
U [V] |
ΔU [V] |
2 |
1110 |
1060 |
1080 |
1083 |
1,564 |
1,612 |
1,576 |
1,584 |
0,015 |
2,00 |
0,15 |
3 |
1280 |
1200 |
1250 |
1243 |
1,920 |
1,928 |
1,940 |
1,929 |
0,015 |
3,00 |
0,15 |
4 |
1400 |
1395 |
1390 |
1395 |
2,216 |
2,240 |
2,232 |
2,229 |
0,015 |
4,00 |
0,15 |
5 |
1570 |
1690 |
1620 |
1627 |
2,504 |
2,488 |
2,500 |
2,497 |
0,015 |
5,00 |
0,15 |
6 |
1730 |
1750 |
1760 |
1747 |
2,724 |
2,728 |
2,728 |
2,727 |
0,015 |
6,00 |
0,15 |
7 |
1840 |
1910 |
1910 |
1887 |
2,992 |
2,964 |
2,984 |
2,980 |
0,015 |
7,00 |
0,15 |
8 |
1960 |
2010 |
2000 |
1990 |
3,29 |
3,23 |
3,47 |
3,33 |
0,04 |
8,00 |
0,15 |
9 |
2100 |
2250 |
2100 |
2150 |
3,57 |
3,71 |
3,69 |
3,66 |
0,04 |
9,00 |
0,15 |
Tab. 2. Pomiary temperatury włókna żarówki z dolnego i górnego zakresu temperatur.
Lp.
|
T1 [K] |
T10 [K] |
I1 [A] |
I10 [A] |
1 |
800 |
2170 |
1,226 |
3,72 |
2 |
870 |
2400 |
1,242 |
3,71 |
3 |
840 |
2220 |
1,210 |
3,69 |
4 |
790 |
2220 |
1,162 |
3,70 |
5 |
800 |
2180 |
1,182 |
3,68 |
6 |
840 |
2150 |
1,200 |
3,70 |
xśr |
823 |
2223 |
1,204 |
3,700 |
Δxśr |
13 |
37 |
0,012 |
0,006 |
δxśr |
1,6 % |
1,7 % |
- |
- |
Dla T1 U = (1,20 * 0,15) V,
dla T10 U = (10,00 * 0,15) V.
Dla I1 Δxśr = 0,012 A a błąd z klasy amperomierza Δmax = 0,008 A,
dla I10 Δxśr = 0,006 A a błąd z klasy amperomierza Δmax = 0,04 A, więc
I1 = (1,204 * 0,012) A
I10 = (3,70 * 0,04) A.
Tab. 3. Temperatury (czarne i rzeczywiste) włókna żarówki i moc pobierana przez żarówkę.
Lp.
|
Tcz śr [K] |
Trz [°C] |
P [W] |
ΔP [W] |
δP [%] |
1 |
823 |
850 |
1,5 |
0,2 |
13,3 |
2 |
1083 |
1140 |
3,2 |
0,3 |
9,4 |
3 |
1243 |
1310 |
5,79 |
0,33 |
5,7 |
4 |
1395 |
1480 |
8,9 |
0,4 |
4,5 |
5 |
1627 |
1750 |
12,49 |
0,45 |
3,6 |
6 |
1747 |
1890 |
16,4 |
0,5 |
3,1 |
7 |
1887 |
2040 |
20,9 |
0,6 |
3,0 |
8 |
1990 |
2180 |
26,6 |
0,8 |
3,0 |
9 |
2150 |
2360 |
32,9 |
0,9 |
2,7 |
10 |
2223 |
2440 |
37 |
1 |
2,7 |
5. Wzory i przykłady obliczeń :
- związek między temperaturą czarną a rzeczywistą
C2 = 1,44*10-2 [m K]
A(T) = 0,4752-2*10-5 [1/K]* Tcz dla λ = 650 [nm]
W doświadczeniu tylko jedną temperaturę przeliczono w ten sposób, dla pozostałych temperatur posłużono się nomogramem.
, czyli
Trz = 847,53565 ≈ 850 *C
- moc pobierana przez żarówkę [W]
U - napięcie [V]
I - prąd [A]
P = 1,204*1,2 = 1,4448 ≈ 1,5 W
- błąd bezwzględny mocy [W]
U - napięcie [V]
ΔU - błąd maksymalny pomiaru napięcia [V]
I - prąd [A]
ΔI - błąd maksymalny pomiaru prądu [A]
ΔP = 0,012*1,2 + 1,204*0,15 = 0,195 ≈ 0,2 W
Inne wzory :
- błąd maksymalny wielkości mierzonej wynikający z klasy przyrządu
kl - klasa przyrządu [%]
Z - zakres pomiarowy
ΔUmax = 1,5*10/100 = 0,15 V
ΔImax = 0,5*1,5/100 = 0,0075 ≈ 0,008 A
- średnia arytmetyczna
n - liczba pomiarów
xj - pomiar j-ty
- średni błąd kwadratowy średniej arytmetycznej
n - liczba pomiarów
x - średnia arytmetyczna
xj - pomiar j-ty
- błąd względny [%]
δb - błąd bezwzględny wartości mierzonej
x - wartość mierzona
6. Dyskusja błędów i wnioski :
Na błąd pomiaru mocy główny wpływ miała klasa woltomierza 1,5. Odczyt ze skali pirometru zależał od obserwatora, ponieważ różnie widzimy równość barw (był subiektywny). Jak wynika z pomiarów (tab. 1.) rozrzut wartości temperatury jest dość duży, np. dla Lp.=8 T wynosi od 2170*C do 2400*C.
Błąd względny pomiaru temperatury jest prawie stały przy znacznym wzroście temperatury, natomiast błąd względny pomiaru mocy maleje wraz ze wzrostem pobieranej mocy.