Оптична пірометрія

Вивчення законів теплового випромінювання. Ознайомлення із будовою радіаційного пірометра та пірометричного клину; області їх використання. Формули знаходження радіаційної, колірної та яскравісної температур тіла. Розподіл енергії випромінюючого тіла.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний педагогічний університет імені А.С. Макаренка

Кафедра теоретичної та експериментальної фізики

Реферат

Оптична пірометрія

Спеціальність 6. 040203 Фізика

Суми - 2010

ЗМІСТ

Вступ

Теоретичне обґрунтування оптичної пірометрії

Теплове випромінювання

Радіаційні пірометри і радіаційна температурі

Колірна температура і розподіл енергії випромінюючого тіла

Яскравісна температура і пірометр із зникаючою ниткою

Пірометричний клин

Висновок

Список використаних джерел

ВСТУП

В даній курсовій роботі розглядаються сукупність оптичних методів визначення температур.

Отже об'єктом дослідження є оптичні методи вимірювання температур. Предметом дослідження є оптична пірометрія, пірометричний клин.

Методом дослідження є ознайомлення із науковою літературою, аналіз опрацьованого матеріалу.

Метою даної роботи є вивчення основних закономірностей теплового випромінювання та їх застосування. Розглянути методи визначення температур, які грунтуються на законах чорного випромінювання рівноважного випромінювання.

Завданням є з'ясувати як оптичним методом визначити температуру тіла. Яке теоретичне і практичне значення має опрична пірометрія для подальшого розвитку вчення про застосування законів теплового випромінювання.

Я вважаю, що дане дослідження є актуальним у зв'язку із великим практичним значенням. Завдяки яким можна вимірювати великі температури, а також температури віддалених тіл. Пірометричний клин знайшов широке застосування в металургії.

ТЕОРЕТИЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ОПТИЧНОЇ ПІРОМЕТРІЇ

Для вимірювання температур нагрітих тіл за термометричний параметр можна використовувати теплове випромінювання.

Сукупність оптичних методів визначення температур, які грунтуються на законах рівноважного випромінювання, називається оптичною термометрією, а методи вимірювання високих температур називаються оптичною пірометрією. Оптичні методи вимірювання температур не потребують безпосереднього контакту вимірювальних приладів із досліджувальним тілом. Завдяки цьому можна вимірювати високі температури, а також температури віддалених тіл. Застосування цих методів не змінює досліджувальні тіла.

Грунтуючись на законах температурного вимірювання, ми можемо визначити температуру розжарених тіл. Якщо випромінююче тіло є чорним (або досить близько до нього), то для визначення його температури можна скористатися законами чорного вимірювання. По суті для дуже нагрітих тіл (понад 2000⁰С) вимірювання температури за допомогою термоелементів або болометрів і т.д. не особливо достовірні. Отже, у цій області температур і вище єдиним надійним способом вимірювання температури є способи, які грунтуються на законах чорного випромінювання. Ці способи перевірені не тільки зіставленням з даними інших термометричних методів, а й за допомогою вивчення відносного розподілу енергії по спектру, що дає змогу знайти температуру випромінювача при зіставленні експериментальних даних з теоретичними формулами.

Залежно від того, який із законів теплового випромінювання покладено в основу методу випромінювання температур, розрізняють три умовних температури: енергетичну, або радіаційну; яскравісну; колірну. Вони функціонально зв'язані із справжньою температурою тіла і його випромінювальною здатністю.

ТЕПЛОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ

Для вимірювання високих температур використовують оптичні методи, засновані на застосуванні законів теплового випромінювання нагрітих тіл. Прилади, для визначення температури тіл дія яких заснована на оптичних методах, носить назву оптичної пірометрії, а галузь фізики, яка вивчає і розробляє ці методи оптичної пірометрії.

Відомо, що потік світлової, падаючої на поверхню тіла, частково відбивається, частково проходить, а інша частина поглинається. Поглинена енергія перетворюється в інші форми енергії, частіше усього в енергію теплового руху молекул. Тому тіла, поглинаючі світло, нагріваються. В свою чергу, в нагрітому стані всі тіла випускають променеву енергію у вигляді електромагнітних хвиль різних довжин (тобто дають суцільний неперервний спектр). З підвищенням температури інтенсивність випромінювання зростає. Розподіл енергії випромінювання, по довжинам хвиль залежить від температури і фізичних властивостей тіла.

При температурі 600 - 700⁰С найбільша енергія припадає на інфрачервоні і червоні ділянки спектра (червоне розжарювання), а при подальшому нагріванні тіл зростає їх видиме випромінювання. Таким чином, в спектрі теплового випромінювання спостерігається нерівномірний розподіл енергії по довжинах хвиль і його залежність від температури тіл.

Теплове випромінювання тіл характеризують: енергетичною світлістю R_т і спектральною енергетичною світлістю r_{л, т}.

Енергетичною світлістю, або повною випромінювальною здатністю R, називається фізична величина, чисельно рівна потоку енергії Ф, що випромінюється в одиницю часу з одиниці поверхні тіла в усьому інтервалі довжин хвиль:

= (1)

де S - випромінююча поверхня нагрітого тіла.

Спектральною монохроматичною інтенсивністю випромінювання r_л,T називається фізична величина, чисельно рівна енергетичній світлості ділянки спектра dR_л, яка припадає на інтервал довжин хвиль від л, до л + dл, віднесеному до і інтервалу dл:

r_л,T = (2)

Індекси л, T вказують на залежність r_л,T від цих величин. Іноді r_л,T називають спектральною енергетичною світлістю або спектральною монохроматичною випромінювальною здатністю. З визначення R_T i r_л,T випливає що:

R_T = r_л,Tdл (3)

Властивість тіл поглинати світло характеризують спектральним коефіцієнтом поглинання:

б_лT = (4)

В деяких випадках використовують усереднений коефіцієнт поглинання тіл

б_T =

де Ц_л i Ц_л i Ц, Ц - відповідно інтенсивності спектральних і інтегральних світлових потоків падаючого і поглинутого.

Для більшості тіл б_лT < 1 і залежить від довжини хвилі л i температури тіла T.

Однак можна уявити собі тіло, яке поглинає усі падаючі на нього промені. Таке тіло називається абсолютно чорним.

За визначенням, для абсолютно чорного тіла б_лT = 1 для усіх довжин хвиль і температур.

Закони теплового випромінювання. Виходячи з другого принципу термодинаміки, Кірхгоф показав, що відношення монохроматичної спектральної інтенсивності випромінювання будь-якого тіла до його спектральної поглинальної здатності не залежить від природи тіла, однакове для всіх тіл і є функцією довжини хвилі і температури (закон Кірхгофа):

= ѓ (л, T) (5)

Для абсолютно чорного тіла (АЧТ) б_лT = 1, тому спектральна випромінювальна здатність АЧТ __лT = ? (л, T)

Для будь-яких тіл закон Кірхгофа записується у вигляді:

r_л,T = б_лT __лT (6)

Грунтуючись на гіпотезі про квантову природу випромінювання, Планк знайшов аналітичний вираз функції розподілу випромінювання по довжинах хвиль у спектрі абсолютного чорного тіла для будь-якої температури.

Ця функція отримала назву функції Планка, і має вигляд:

e_л,T = (7)

де h - стала Планка; k - стала Больцмана; с - швидкість світла. Флормулу (7) іноді записують у вигляді:

e_л,T = (8 )

де с₁ = 2рhc = 3,74 10^-16 Дж м²/с, с₂ = сh/k = 1,43880 10^-2м К

Графіки залежностей спектральної енергетичної світності ?_лT від довжин хвиль л, для декількох температур Т, одержані за дослідом і формулою Планка, зображені на рис. 1. Площі, обмежені кривими графіків, визначають світність випромінювання АЧТ.

Рис. 1 Розподіл енергій в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла при різних температурах

Теоретично положення максимуму інтенсивності випромінювання л_тах визначити за умови:

 = 0,

що приводить до виразу:

л...