POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI |
Sprawozdanie z ćwiczeń Nr |
|
Dawid Sojka Grzegorz Majer |
Temat: Pomiar temperatury pirometrem optycznym |
|
Wydział IZ |
Data: 15.10.97 |
Ocena:
|
Cel ćwiczenia: zapoznanie studentów z jedną z metod pomiaru temperatury.
Wstęp teoretyczny:
Pirometr optyczny monochromatyczny służy do pomiaru temperatury czarnej.
Zgodnie z definicją temperatury czarnej, ciało o temperaturze rzeczywistej Trz ma temperaturę czarną Tcz , jeżeli w przedziale dl promieniuje ona z takim samym natężeniem, jak ciało doskonale czarne w temperaturze Tcz .
Temperatura rzeczywista Trz pewnego ciała różni się od temperatury czarnej Tcz wartością liczbową, ale oznacza ten sam stan fizyczny.
Ze wzoru
można bez problemu obliczyć temperaturę rzeczywistą ciała, choć w praktyce nie jest to konieczne, wystarczy w tym celu posługiwać się odpowiednim monogramem.
Budowa pirometru optycznego rys. 1
Obiektyw Ob pirometru tworzy obraz badanego ciała w płaszczyźnie włókna W żarówki umieszczonej przed okularem. Obserwator patrzący przez okular pirometru widzi więc włókna żarówki na tle obrazu badanego ciała. W okularze mieści się filtr szklany Fm, przepuszczający tylko niewielki przedział promieniowania dl. Emitację włókna można zmieniać regulując rezystancję R w obwodzie zasilania.
Włókno może być:
- ciemniejsze niż obraz mierzonego ciała ( a )
- jaśniejsze ( b )
- równe ( c )
W ostatnim przypadku zanika ona na tle obserwowanego obrazu.
rys. 1 Schemat pirometru optycznego z zanikającym włóknem.
Skład układu pomiarowego: - pirometr optyczny
- zasilacz P 340
- żarówka halogenowa 55W (12V)
- amperomierz prądu stałego
Tabele wyników.
Uwaga: Wszystkie temperatury podane są w [°C].
Tab. 1. Wyniki pomiarów temperatury czarnej dla danych napięcia i natężenia prądu.
Tab. 2. Wyniki obliczeń temperatury rzeczywistej dla danej temperatury czarnej(wzór (1))
Tab.3. Wyliczenia mocy dla danego napięcia i natężenia prądu(wzór (5)) oraz jego błędu bezwzględnego za pomocą różniczki zupełnej(wzór (6)). Z danych klas przyrządów pomiarowych (wzór (8)) otrzymujemy ΔU=0.15 i ΔI=0.04.
Tab. 4. Wyliczanie dla temperatury rzeczywistej
- błędy średnie kwadratowe (wzór (3)) dla U=2V, U=6V, U=10V
- błędy małej serii pomiarów metody Studenta-Fishera (wzór (4)) dla p=0.8 i U=3V, U=4V, U=5V, U=7V, U=8V, U=9V
Tab. 5. Wyliczanie współczynnika pochłaniania dla wszystkich temperatur (9)
Tab. 6. Wyliczone dla współczynnika pochłaniania
- błędy średnie kwadratowe (wzór (3)) dla U=2V, U=6V, U=10V
- błędy małej serii pomiarów metody Studenta-Fishera (wzór (4)) dla p=0.8 i U=3V, U=4V, U=5V, U=7V, U=8V, U=9V
Tab. 7. Błędy wyników złożonych wynikające ze zmiany temperatury czarnej na temperaturę rzeczywistą uwzględniając błąd współczynnika pochłaniania, wyznaczone za pomocą różniczki zupełnej(wzór (7)).
Tab. 6. Błąd całkowity pomiaru temperatury rzeczywistej.
Wykres zależności temperatury rzeczywistej włókna żarówki od pobieranej mocy.
Wzory wykorzystane w doświadczeniu.
Temperatura rzeczywista dla danej temperatury czarnej Tcz
(1)
Średnia arytmetyczna wyników serii n równoważnych pomiarów.
(2)
Średni błąd kwadratowy wartości średniej arytmetycznej skończonej serii pomiarów wielkości x
(3)
Metoda Studenta-Fishera określania błędów małej serii pomiarów
(4)
Moc dla prądu stałego.
(5)
Błąd wyników złożonych dla mocy P[W] za pomocą różniczki zupełnej.
Korzystając ze wzoru (5) liczymy różniczkę zupełną i otrzymujemy:
(6)
Błąd wyników złożonych dla temperatury rzeczywistej Trz za pomocą różniczki zupełnej.
Korzystając ze wzoru (1) liczymy różniczkę zupełną i otrzymujemy:
(7)
Błąd bezwzględny liczony za pomocą klasy przyrządu.
(8)
Współczynnik pochłaniania
(9)
l=650 * 10 -9 [m] - długość fali przepuszczanej przez filtr pirometru
C2=1.44 * 10-2 [mK] - współczynnik
A - współczynnik pochłaniania
Trz - temperatura rzeczywista
Tcz - temperatura czarna
P - moc
U - napięcie
I - natężenie
Przykładowe obliczenia.
Obliczanie temperatury rzeczywistej ze wzoru (1)
Obliczanie średniej wartości temperatury rzeczywistej (2)
Obliczanie średniej kwadratowej (3)
Określanie błędów małej serii pomiarów metodą Studenta-Fisher (4)
Obliczanie mocy (5)
Błąd bezwzględny liczony za pomocą klasy przyrządu (8)
Błąd wyników złożonych dla mocy P[W] za pomocą różniczki zupełnej (6)
Błąd wyników złożonych dla temperatury rzeczywistej Trz za pomocą różniczki zupełnej (7)
Wnioski.
Błędy pomiaru wynikają z samej metody wykonywania doświadczenia. Niedokładność oka ludzkiego powoduje trudność w wychwyceniu różnic między jasnością obu włókien. Bardzo trudne jest więc dokładne określenie temperatury przy pomocy pirometru.
Dodatkowe błędy przypadkowe mogły powstać w wyniku zużycia pirometru np. luz na gwincie obiektywu ostrości, niestabilność podstawy przyrządu. Powodowały one ciągłe zaburzanie wyrazistości w wyniku czego trzeba było wiele razy powtarzać w/w regulację, co uniemożliwiało skupić się na właściwym pomiarze czyli temperaturze.
Niepoprawność danych może wynikać także z ilości przeprowadzonych pomiarów - 48 odczytów powoduje zmęczenie oka.
Należy jednak zwrócić uwagę, że poszczególne wyniki pomiau nie różnią się zbytnio od siebie - średnio o 20 stopni, co przy tak dużych temperaturach jest wartością nie odgrywającą roli, pomijalną. Należy domniemywać, że jeśli pirometr byłby w lepszym stanie to jego pomiary byłyby jeszcze dokładniejsze. Z naszego ćwiczenia wynika, że urządzenie to jest dokładne, łatwe w obsłudze i bardzo proste w budowie - dlatego znalazło szerokie zastosowanie w przemyśle (np. huty). Ważną sprawą jest również to, że praktycznie nie mamy kontaktu z badanym ciałem i jego temperaturą co przy temperaturze rzędu 1000-2000 stopni nie jest sprawą błahą.
Błąd współczynnika pochłaniania A jest tak mały, że nie wpływa znacząco na błąd pomiaru temperatury rzeczywistej.
Wyszukiwarka