Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» Физико-технологический институт Кафедра «Физических методов и приборов контроля качества» Радиоволновой, тепловой и оптический контроль Отчет по лабораторной работе № 4 «Бесконтактное определение температуры тел по их тепловому излучению» Студент: Дюпин А.М. Корелин А.А. Группа: Фт-380011 Преподаватель: Минин М.Г. Екатеринбург 2021 Цель: Целью данной работы является изучение принципа действия и устройства оптического пирометра ЛОП-72. В ходе работы получим практические навыки в работе с данной аппаратурой, а также определим температуры тел по их тепловому излучению. Описание лабораторной установки и её устройство: Работа пирометра основана на измерении квазимонохроматической яркости излучения нагретого объекта путём уравнивания ее с яркостью эталона. В качестве эталона яркости в оптическом пирометре ЛОП-72 используется пирометрическая лампа, для которой дана образцовая зависимость температуры нити от тока, протекающего по ней. Изображение источника излучения, температуру которого хотят измерить, с помощью объектива проецируется в плоскость нити пирометрической лампы. Наблюдатель, смотрящий в окулярный микроскоп, видит нить пирометрической лампы на фоне изображения источника излучения. Изменяя силу тока в пирометрической лампе, уравнивают яркость нити лампы с яркостью измеряемого объекта. Температура объекта определяется по величине тока, протекающего по нити пирометрической лампы в момент уравнивания яркостей нити и изображения объекта. Факт уравнивания определяется по исчезновению изображения нити. Оптическая схема пирометра показана на рис.1. Рис.1. Оптическая схема пирометра ЛОП-72 2 В оптическую схему пирометра входят объектив 5, микроскоп 1, являющийся окуляром пирометра, пирометрическая лампа 8, светофильтры 2, поглотители 4 и 6. Пирометр оптический ЛОП-72 представляет собой телескоп, состоящий из объектива 6 и окулярного микроскопа 4, оправы которых закреплены в корпусе пирометра. Общий вид пирометра показан на рис. 2. Рис. 2. Внешний вид пирометра ЛОП-72 В верхней части оптической системы помещены: лампа пирометрическая 8, сектор со светофильтрами 9, сектор с поглощающими стеклами 7 и реостат с секциями грубой регулировки 11 и тонкой регулировки 10, имеющими плавный ход. Для реостата указано направление вращения ручек, соответствующее увеличению тока пирометрической лампы. Ход работы: В начале работы мы установили пирометр перед объектом и сняли защитные крышки с объектива и окуляра. После чего подключили к пирометру стабилизированный источник питания. Следующим шагом было нахождение видимого свечения нити лампы с помощью увеличения тока в цепи. Вращением кольца добились чёткого изображения визируемого объекта в поле зрения окуляра, при этом чёткость нити осталась на прежнем уровне. Далее нам нужно было добиться исчезновения рабочего участка нити, регулируя накал нити пирометрической лампы с помощью реостатов грубой и тонкой регулировки, т.е. нужно подобрать такой ток, чтобы нити практически не было видно. 3 После того, как нити практически не стало видно, мы зафиксировали силу тока в данном опыте. К моменту уравнения яркостей подходили то со стороны большей, то со стороны меньшей яркости нити пирометрической лампы по отношению к яркости объекта. Момент уравнивания яркостей фиксировали 5 раз и потом находили среднее значение для каждого из трёх случаев. Значения напряжения для 3-ёх случаев: U=170 B; U=190 B; U=220 B. В итоге получили значения тока для 3-ёх опытов: U, B I, A 170 0,2665 0,2813 0,2787 0,2766 0,2855 190 0,2815 0,2877 0,2860 0,2904 0,2825 220 0,2940 0,2888 0,2845 0,2966 0,2820 Посчитали средние значения тока: U, B I, A (ср. знач.) 170 0,2779 190 0,2855 220 0,2892 С помощью градуировочной шкалы пирометра ЛОП-72 мы определили яркостную температуру для всех трёх опытов, в итоге получили значения: 𝑇Я1 = 1190 ℃ ; 𝑇Я2 = 1245 ℃ ; 𝑇Я3 = 1290℃ Для получения реальной температуры рабочего тела, воспользуемся формулой: T = Tя· [1- Tя (kλ/2πhc) lnα]-1 где λ – длина световой волны, на которой выполняется измерение; α – коэффициент, зависящий от длины волны и температур, имеет свое значение для каждого материала и определяется в ходе специального опыта; к – постоянная Больцмана, с – скорость света; h – постоянная Планка. 4 После проведения опытов нам известны все величины, осталось подставить их в формулу и найти реальную температуру рабочего тела. Первый опыт (U=170 B): 𝑇1 = 𝑇Я1 ∗ [1 − 𝑇Я1 ∗ ( 𝑘𝜆 ) ∗ 𝑙𝑛𝛼]−1 = 2𝜋ℎ𝑐 1,38 ∗ 10−23 ∗ 6,5 ∗ 10−7 = 1463 ∗ [1 − 1463 ∗ ( ) ∗ (−0,154)] 2 ∗ 3,14 ∗ 6,63 ∗ 10−34 ∗ 3 ∗ 108 −1 = = 1439,71 𝐾 Второй опыт (U=190 B): 𝑇2 = 𝑇Я2 ∗ [1 − 𝑇Я2 ∗ ( 𝑘𝜆 ) ∗ 𝑙𝑛𝛼]−1 = 2𝜋ℎ𝑐 1,38 ∗ 10−23 ∗ 6,5 ∗ 10−7 = 1518 ∗ [1 − 1518 ∗ ( ) ∗ (−0,154)] 2 ∗ 3,14 ∗ 6,63 ∗ 10−34 ∗ 3 ∗ 108 −1 = = 1515,46 𝐾 Третий опыт (U=220 B): 𝑇3 = 𝑇Я3 ∗ [1 − 𝑇Я2 ∗ ( 𝑘𝜆 ) ∗ 𝑙𝑛𝛼]−1 = 2𝜋ℎ𝑐 1,38 ∗ 10−23 ∗ 6,5 ∗ 10−7 = 1563 ∗ [1 − 1563 ∗ ( ) ∗ (−0,154)] 2 ∗ 3,14 ∗ 6,63 ∗ 10−34 ∗ 3 ∗ 108 = 1560,3 𝐾 5 −1 = Получили реальные температуры рабочего тела для трёх опытов: 𝑇1 = 1439,71 𝐾 = 1166,71℃ 𝑇2 = 1515,46 𝐾 = 1242,46℃ 𝑇3 = 1560,3 𝐾 = 1287,3℃ Вывод: В ходе лабораторной работы, получили практические навыки в работе с оптическим пирометром ЛОП-72, научились определять яркостную температуру исследуемых объектов и изучили принцип действия данного устройства. Опытным путём определили яркостную температуру источника нагрева при трёх различных напряжениях, а также определили реальные температуры этого источника. Как и следовало ожидать, при большем напряжении – температура источника нагрева будет больше. В нашем случае, мы получили: 𝑈1 = 170𝐵, 𝑇1 = 1166,71℃ ; 𝑈2 = 190𝐵, 𝑇2 = 1242,46℃; 𝑈3 = 220𝐵, 𝑇3 = 1287,3℃ 6
