Рис.7 Температура нити пирометрической лампы:

a)меньше температуры источника излучения;

b)равна температуре источника излучения;

c)больше температуры источника излучения.

При совпадении яркостей нить не видна (исчезает). Момент достижения равенства монохроматических яркостей определяется визуально с большой точностью, поскольку человеческий глаз является исключительно чувствительным нулевым индикатором контрастности яркостей излучения светящихся тел.

Подготовка пирометра к работе

1. Подключите лампу накаливания ЛИ. к источнику постоянного тока БП1 (ТЕС-41) (рис. 6). Ток спирали лампы накаливания регистрируется с помощью цифрового вольтметра В2 (В7-27) по падению напряжения на эталонном сопротивлении RЭТ. Величина RЭТ подобранна таким образом, чтобы падение напряжения на RЭТ было численно равно току в цепи лампы накаливания (RЭТ = 1,0 Ом). Напряжение на спирали лампы накаливания измеряется цифровым вольтметром В1 (В7-27). Установить тумблеры «СЕТЬ» на панели приборов ТЕС-41 и обоих В7-27 в положение "ВЫКЛ"; предел измерения на обоих В7-27 - 10 В.

2.Снимите на пирометре защитные крышки с объектива 12, окуляра 2 и

блока ламп 14 (рис. 5). Реостат RР (рис. 6) поставьте в положение «ОТКЛ». (Реостат имеет секции грубой и тонкой регулировки тока. На нем указаны направления вращения, соответствующие увеличению или уменьшению тока для каждой из секций. Крайние положения отмечены: «ВКЛ», «ОТКЛ»).

3.Включите входящие в схему приборы в сеть (рис. 6). Тумблеры «СЕТЬ», находящиеся на приборах, поставьте в положение «ВКЛ»

4.Вращая реостат RР, установите ток в цепи пирометрической лампы IП = 0,3 А. (Величина тока IП измеряется амперметром В7-40). После этого в окуляре 2 будет видно свечение нити накала лампы пирометра.

5.Установите на источнике питания БП1 (ТЕС-41) лампы накаливания напряжение, соответствующее току нити лампы накаливания IЛ = 1,10 А. Нить лампы накаливания ЛИ после этого должна светиться.

6.Теперь проверьте юстировку установки. При правильной юстировке изображение нити накала исследуемой лампы (в виде спирали) и нити пирометра (в виде дуги) должны наблюдаться в центре поля зрения окуляра 2 (рис. 5, внизу слева). При неправильной юстировке установки обратитесь за помощью к инженеру или преподавателю.

Порядок выполнения измерений

1. Установите на источнике питания БП1 (ТЕС-41) лампы накаливания ЛИ. напряжение, соответствующее току нити лампы накаливания IЛ = 1,10 А. Подождите 1 - 2 мин. пока спираль исследуемой лампы нагреется.

2.Произведите измерение яркостной температуры спирали лампы накаливания. Для этого, изменяя температуру нити пирометрической

лампы пирометра поворотом кольца реостата RР, добиться такого положения, чтобы изображение дуги нити пирометрической лампы полностью "исчезла" на фоне изображения спирали исследуемой лампы

ЛИ., т.е. добиться уравнивания яркостей нити пирометрической лампы и спирали исследуемой лампы. Примечание. Поворот кольца реостата RР по часовой стрелке увеличивает накал нити пирометрической лампы, а против часовой стрелки - уменьшает его. К моменту выравнивания яркостей необходимо подходить то со стороны большей, то со стороны меньшей яркости пирометрической лампы по отношению к яркости спирали лампы накаливания. При этом нить кажется темной на относительно более светлом фоне при слишком малой ее яркости и светлой на относительно более темном фоне при слишком большой ее яркости (см. рис. 7). Необходимо иметь в виду, что нить пирометрической лампы обладает тепловой инерцией и регулировка ее

накала должна производиться медленно. Величину тока IП, проходящего через нить пирометрической лампы, измерьте амперметром В7-40 и занесите в таблицу 2.

3.Используя данную в приложении 1 таблицу «Зависимость яркостной

температуры ТЯ нити пирометрической лампы от тока IП», определите яркостную температуру нити накала исследуемой лампы. Результат запишите в таблицу 2.

4.Определите значение истинной температуры Т по графику ТЯ = f(T), построенному по данным таблицы 1 (см. приложение 2). Результат запишите в таблицу 2.

5.По показаниям цифровых вольтметров В7-27 (рис. 6) определите

значения тока IЛ и напряжения UΣ в цепи питания лампы накаливания и рассчитайте потребляемую мощность WΣ = IЛ UΣ и мощность, теряемую в подводящих проводах Wпр = Rпр IЛ2 , (сопротивление проводов равно

Rпр=0,045 Ом).

6.Изменяя с помощью источника питания БП1 (ТЕС-41) ток IЛ в цепи питания исследуемой лампы ЛИ. в пределах от 1,10 А до 1,55 А (10 значений через 0,05 А), произведите измерения согласно пунктам 1 - 5 и данные запишите таблицу 2.

Описание лабораторной установки и метода измерения (для аудитории 312)

Блок-схема измерительного стенда представлена на рис. 4.

Рис. 4. Блок-схема измерительного стенда: а) источник излучения; б) оптический пирометр.

Источником теплового излучения служит вольфрамовая нить или пластинка Пл (в зависимости от вида лампы) площадью Sпл нагреваемая от

регулируемого источника постоянного тока БП1 до температуры Т. Температура поверхности пластины измеряется оптическим пирометром с исчезающей нитью. Предполагаем, что поверхность пластины является диффузным излучателем с равномерно распределенной по поверхности энергетической яркостью. Уравнением теплоотдачи нагретой пластины до температуры Т (при условии равномерного нагрева) является уравнение теплового баланса, в котором подводимая к пластине мощность электрического тока W∑ = Iпл U∑

затрачивается на отдачу тепла в единицу времени излучением Wизл , теплоотдачу конвекцией Wконв и на выделение джоулева тепла в единицу времени в подводящих проводах Wдж :

Iпл U ∑ =Wизл +Wконв +Wдж (19)

где Iпл - сила тока в цепи питания пластины, U∑ - падение напряжения на

пластине и подводящих проводах (участок цепи ad ). Рассмотрим подробнее каждую составляющую теплоотдачи, входящую в уравнение (19):

1) Отдача тепла нагретой пластины излучением.

В связи с тем, что отдача тепла нагретой пластины с температурой T излучением происходит в окружающую среду с температурой Tcp , то

выражение Wизл согласно с законом Стефана-Больцмана (6) будет иметь вид

где εT - интегральный коэффициент излучения вольфрама, зависящий от температуры (см. таблицу 1).

2) Отдача тепла вследствие свободной конвекции.

Этот перенос тепла связан с переносом самой среды и происходит вследствие разности плотности нагретых и холодных частей газа (воздуха) вблизи поверхности нагретой пластины в гравитационном поле Земли. Под воздействием подъёмной силы нагретые объёмы газа поднимаются вверх, а на их место поступают холодные объёмы газа, уносящие тепло от нагретой пластины. Такое движение газа носит название свободной конвекции. Согласно закона Ньютона - Рихмана тепловой поток Wконв , уносимый от нагретой

поверхности твердого тела в окружающую среду, пропорционален площади поверхности пластины Sпл и разности температур поверхности тела T и среды

Tcp :

Wконв = αk (T − Tcp )Sпл, (21)

где αk - коэффициент конвективной теплоотдачи. Для расчёта коэффициента αk в случае конвекции от плоской вертикальной поверхности при свободном

движении воздуха, с удовлетворительной точностью может быть использовано выражение

αk = 2,554 T − Tcp .

На практике влияние конвективного теплообмена можно существенно уменьшить, если поместить нагреваемую пластину в стеклянный (кварцевый) вакуумный сосуд или в качестве источника излучения взять электрическую лампу накаливания с вольфрамовым телом накала в виде пластины или спирали. Конвекционным потоком тепла в этом случае можно пренебречь.

3) Поток тепла вследствие теплопередачи Wтпрд будет направлен от

раскаленной пластины к корпусу лампы через подводящие провода. Поскольку сечение проводов мало, то этим потоком можно пренебречь.

4) Потери тепла на нагревание проводников, соединяющих источник питания с пластиной.

Известно, что количество выделяющегося в проводнике тепла согласно закону Джоуля - Ленца пропорционально его сопротивлению Rпр , квадрату силы тока

Iпл и времени ∆t . Откуда поток тепла будет равен

Wдж = RплIпл2 . (22)

Величина сопротивления зависит от формы и размеров проводника, а также от свойств материала, из которого он изготовлен. Для тонкого однородного цилиндрического проводника

Rпр = ρ Slпр , (23)

где l - длина проводника, Sпр - площадь его поперечного сечения, ρ - удельное

электрическое сопротивление. Для большинства металлов удельное сопротивление растет с температурой приблизительно по линейному закону

ρ = ρ0 αT Tпр, (24)

где ρ0 - удельное сопротивление при нуле °С, αT - коэффициент, Tпр - температура проводника в °С. С учётом (23) и (24), выражение (22) примет вид:

После подстановки (20), (22) в (19), уравнение теплового баланса примет вид:

окончательно (26) примет вид

Iпл U∑ = εT σSплT 4 + RпрIпл2 . (27)

Откуда интегральный коэффициент излучения εT тела накала будет равен

В данной работе определение истинной температуры T исследуемого объекта - лампы со спиральным вольфрамовым телом накала производится на основе яркостной температуры TЯ , измеряемой оптическим пирометром с исчезающей

нитью типа ОППИР-017. Этот пирометр применяется в различных областях промышленности для измерения температур в диапазоне 700 - 2000 °С, который разбит на два поддиапазона 700 - 1400 °С и 1400 - 2000 °С. Схема пирометра приведена на рис. 4. Оптический пирометр с исчезающей нитью состоит из объектива O1, окуляра O2 , эталонной пирометрической лампы ЛЭТ , реостата

RР и измерительного прибора ВП .

Объектив O1 служит для проектирования изображения тела (нити накала лампы ЛИ ) в плоскость нити накала эталонной пирометрической лампы ЛЭТ . Линза

объектива смонтирована в выдвижном тубусе, перемещающемся вручную в направляющей трубе. Перемещение тубуса объектива на 28 мм обеспечивает получение четкого изображения предмета, находящегося на расстоянии 0,7 м от объектива до оптической бесконечности.

Окулярная система O2 служит для рассматривания в монохроматических лучах нити эталонной пирометрической лампы ЛЭТ на фоне изображения

накаленного тела, температура которого измеряется. Окулярная система смонтирована в выдвижном тубусе окуляра, перемещающемся в направляющей трубе. В тубусе окуляра установлены линза окуляра, монохроматический красный светофильтр (λ0 = 0.65 мкм), укрепленный в поворотной обойме, и выходная диафрагма, за которой находится глаз наблюдателя при измерении температуры. Выдвижение тубуса окулярной системы обеспечивает четкую видимость нити накала пирометрической лампы.

Узел эталонной пирометрической лампы ЛЭТ состоит из пирометрической

лампы СИ-13, служащей эталоном измеряемой яркости. Лампа имеет дугообразную нить накала, расположенную в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Максимальное потребление тока пирометрической лампой при температуре нити 1400° С - около 0,4 А при напряжении на ее зажимах 2,5 В. Пирометрическая лампа питается током от аккумуляторной батареи или от

другого стабилизированного источника. Накал нити регулируют реостатом RР

посредством кольца, находящегося на передней части трубы пирометра (со стороны окуляра). Падение напряжения на пирометрической лампе регистрируется электроизмерительным стрелочным прибором ВП ,

вмонтированном в пирометр. Изменяя силу тока реостатом RР , можно изменять

накал нити пирометрической лампы, а, следовательно, и энергетическую яркость нити. Если яркость нити лампы больше или меньше яркости исследуемого источника, то нить пирометрической лампы будет видна на фоне изображения источника в виде светлой или темной полоски, соответственно

(рис. 5).

Рис. 5. Температура нити пирометрической лампы:

a)меньше температуры источника излучения;

b)равна температуре источника излучения; с) больше температуры источника излучения.

При совпадении яркостей нить не видна (исчезает). Момент достижения равенства монохроматических яркостей определяется визуально с большой точностью, поскольку человеческий глаз является исключительно чувствительным нулевым индикатором контрастности яркостей излучения светящихся тел.

Оптический пирометр предварительно прокалиброван (проградуирован) по модели абсолютно черного тела. Установлено, каким температурам черного тела соответствует исчезновение нити пирометрической лампы на фоне изображения черного тела при различных значениях падения напряжения на лампе. Таким образом, по показаниям вольтметра оптического пирометра, проградуированного в градусах Цельсия (°С), можно судить, какой температуре TЯ абсолютно черного тела соответствует излучение исследуемого источника

(на длине волны λ0 = 0,65 мкм). Если бы исследуемый источник был абсолютно черным (ελ,T ≈1), то эта температура TЯ была бы его истинной температурой. В

случае, когда коэффициент излучения источника меньше единицы (ελ,T <1), то

измеренная пирометром температура источника не равна истинной и соответствует температуре TЯ абсолютно черного тела, имеющего для λ0 = 0,65

мкм ту же яркость, что и яркость исследуемого тела при данных условиях наблюдения. Эта измеренная яркостная температура TЯ всегда ниже истинной

температуры T . От яркостной температуры можно перейти расчетным путем, согласно формуле (17), к истинной температуре исследуемого источника излучения, если только известен спектральный коэффициент излучения ελ,T и

его зависимость от температуры. Итак, рассмотренный оптический бесконтактный метод измерения температуры накаленных тел сводится к сравнению их яркостей с яркостью абсолютно черного тела для данной длины волны.

Необходимость длительного сохранения постоянства характеристик эталонной лампы пирометра запрещает нагревать ее нить свыше 1400 °С. Поэтому при измерении пирометром температур в диапазоне 1400 - 2000 °С на пути лучей, идущих от исследуемого источника, помещается ослабляющий светофильтр СО, изготовленный из специального окрашенного стекла, поглощающий определенную часть излучения источника. Отсчет температуры в этом случае производится по шкале, учитывающей это поглощение.

Точность пирометра с исчезающей нитью ограничивается чувствительностью глаза к контрасту. При наилучших условиях освещения можно увидеть различие в визуальной яркости в красной области спектра порядка 2%. Повторяемость среднего значения многочисленных измерений у опытного наблюдателя фактически может составлять ±0.5 °С. Таким образом, точность, достижимая при использовании пирометра с исчезающей нитью, является вполне достаточной практически для многих промышленных и научных целей. Однако, несмотря на удобство, точность и надежность, ограничивающими факторами широкого применения оптических пирометров с исчезающей нитью является неопределенность коэффициента излучения измеряемого объекта, а также необходимость активного участия в измерениях квалифицированного наблюдателя.

Оптические пирометры с исчезающей нитью невозможно использовать для измерения температуры тела ниже 550 - 600 °С, так как при таких температурах излучение нагретого тела уже с трудом воспринимается человеческим глазом и его свечению еще нельзя приписать ясно выраженной цветовой окраски.