Оптическая термометрия

1.3.4. Оптическая термометрия.

При наличии теплового движения молекул вещества, т.е. практически всегда, тело является источником электромагнитного излучения. Интенсивность этого излучения и его спектральный состав связаны с температурой. Для идеализированного абсолютного чёрного тела энергия, излучаемая с единицы поверхности в единицу времени определяется законом Стефана-Больцмана: R_э=sT⁴ , где s=5.67∙10^-8 Вт/м²К⁴ - постоянная величина, Т – абсолютная температура. Основанные на этом законе термометры носят название радиационных пирометров (рис.7). Строго рассчитанная доля излучения исследуемого тела выделяется входной линзой прибора и регистрируется чувствительным колориметром. Затем производится перерасчет к полному излучению со всей поверхности исследуемого тела и вносится поправка на степень «серости» тела.

Измерить величину R технически очень трудно, поэтому такие термометры не дают точных измерений.

Более распространены яркостные пирометры, в которых яркость[1] свечения исследуемого тела сравнивается с яркостью тела, температура которого известна. Схематически устройство яркостного пирометра показывает рис.8. Обычно в качестве тела сравнения берут вольфрамовую нить Н специальной электролампы, питаемой от стабильного источника тока E. Меняя ток этой лампы при помощи реостата R можно выровнять её яркость с яркостью исследуемого тела, в этом состоянии температуры тел одинаковы. Температуру нити лампы сравнения определяют по току миллиамперметра А, при этом шкалу миллиамперметра заранее градуируют непосредственно в градусах.

Пирометр представляет собой зрительную трубу Т, позволяющую рассматривать удаленные объекты. Нить лампы сравнения устанавливается в фокальной плоскости окуляра. В эту же плоскость вращением объектива проецируется изображение объекта. При правильной настройке оптической части нить лампы сравнения наблюдается на фоне объекта.

Нить лампы сравнения нельзя нагревать выше определенной температуры (1400⁰С), поэтому для расширения предела измеряемых температур в оптическую схему пирометра включают светофильтры, ослабляющие яркость исследуемого тела с точно известной кратностью.

Яркостный пирометр показывает действительную температуру лишь тогда, когда тело и нить лампы одинаково близки по оптическим свойствам к абсолютно черному телу. Дело в том, что показатель этой близости – «коэффициент серости» - зависит от температуры; чем она выше, тем он ближе к единице. Поэтому для получения истинного значения температуры в полученный результат вводят поправку, зависящую от материала излучающего тела и от его температуры.

В отдельных случаях применяют так называемый цветовой пирометр, когда температуру определяют на основании закона Вина (λ_мах=b/T) , связывающего температуру излучающего тела с длиной волны, на которую приходится максимум его излучательной способности. Цветовой пирометр состоит из прибора, разлагающий излучение нагретого тела в спектр, и фотоэлектрической приставки, измеряющей распределение интенсивности в этом спектре.

Оптические пирометры имеют невысокую точность, но позволяют производить дистанционные измерения, что во многих процессах металлургии, в химии, физике и астрономии очень актуально.

2. Практическая часть.

Задание 1. Температурные шкалы. Произведите перерасчет температуры и запишите результаты в свободной форме.

а) Какова температура человеческого тела в шкалах Цельсия, Кельвина и Фаренгейта?

б) Сколько градусов Цельсия в одном градусе Фаренгейта?

в) Переведите 50⁰F в градусы Кельвина.

 

Задание 2. Градуировка термометра сопротивления.

 Термометр сопротивления изготовлен из тонкой медной проволоки, намотанной на бумажный каркас, помещенный в защитный стеклянный футляр (в пробирку). В холодном состоянии сопротивление провода близко к 80 Ом.

Для градуировки термометра сопротивления соберите установку, показанную на рис.8. Жидкостный термометр (ЖТ) вставьте в отверстие в крышке пробирки. Пробирку, укрепленную в лапке штатива, опустите сосуд. Величина сопротивления медной проволоки термометра в данной работе измеряется при помощи мультиметра М. Подключите термометр сопротивления к входу мультиметра. Поставьте переключатель диапазона в положение 200 Ом. На шкале прибора высветится величина сопротивления.

Влейте в стакан горячую воду и по мере нагревания термометрического тела через каждые 5⁰ измеряйте и записывайте величину сопротивления. Результаты занесите в таблицу 1. Чтобы исключить ошибку на тепловую инертность термометрического тела измерения следует повторить при охлаждении жидкости. Измерения проделайте по тем же температурным точкам, что и при нагревании. После этого усредните значения сопротивлений и заполните всю таблицу 1.

По полученным данным постройте градуировочный график данного термометра сопротивления, откладывая по горизонтальной оси температуру, а по вертикальной – величину сопротивления. Если экспериментальные точки все-таки имеют некоторый разброс, следует «не глаза» сгладить линию. Такой градуировочный график позволяет в дальнейшем измерять температуру среды, в которую может быть помещен этот термометр сопротивления.

По градуировочному графику определите температурный коэффициент сопротивления меди:  ( град^-1).

Значения t₁и t₂ и соответствующие им значения сопротивлений R₁ и R₂ выбираются по графику произвольно.

Задание 3. Градуировка термистора.

Термистор – это полупроводниковый элемент, сопротивление которого зависит от температуры. В работе используется термистор марки ММТ – 4. В холодном состоянии его сопротивление приблизительно равно 1 кОм. Градуировка выполняется на установке, описанной в задании 1.

По полученным экспериментальным точкам (таб. 2 отчета) постройте градуировочную кривую. Следует учитывать, что зависимость сопротивления термистора от температуры имеет нелинейный характер и соединять точки следует не прямой линией, а плавной кривой. Рассчитайте величину температурного коэффициента сопротивления термистора. Сравните чувствительность термометров сопротивления по результатам заданий 2 и 3.

Задание 4. Изготовление и градуировка термопары.

В работе используется два материала – медь и константан. Последний снят с обмотки реостата, где он применяется в связи с низкой зависимостью его сопротивления от температуры. Зачистите от окислов концы проводов и плотно соедините их путем скручивания и одинарная термопара готова. Свободные концы соедините с чувствительным гальванометром, поставленным в позицию 1 мкВ. Место скрутки термопары закрепите скотчем на колбе жидкостного термометра и проградуируйте по методике предыдущих упражнений. Результаты занесите в таблицу 3. Постройте график Е(Т) и рассчитайте величину удельной термоЭДС этой термопары. Е=aТ. a=ΔЕ/ΔТ. [2]

 Задание 5. Изготовление и градуировка дифференциальной термопары.

По схеме, ясной из рисунка 5, соберите методом скрутки дифференциальную термопару. Медные провода лучше сделать наружными. Поместив один спай в сосуд со снегом, а второй, прикрепленный к жидкостному термометру, в нагреватель, произведите градуировку. Заполните таблицу 4 и постройте график зависимости Е(Т).

Поскольку «холодный» спай имеет температуру 0^о С, то горячий при такой градуировке показывает температуру именно по шкале Цельсия. Прижав «горячий» спай к мочке своего уха, измерьте её температуру.

 

 

Дополнительное задание. Изготовление термобатареи.

Придумайте и рассчитай схему термоэлектрогенератора, который при разности температур горячих и холодных спаев 100⁰ вырабатывает ЭДС величиной 1 мВ.

 

ОТЧЕТ

 

…………………………………………………………………………….

о выполнении лабораторной работы № 2

«ТЕРМОМЕТРИЯ»

Задание 1. Температурные шкалы. Произведите перерасчет температуры и запишите результаты в свободной форме.

а) Какова температура человеческого тела в шкалах Цельсия, Кельвина и Фаренгейта?

б) Сколько градусов Цельсия в одном градусе Фаренгейта?

в) Переведите 50⁰F в градусы Кельвина.

 

Задание 2. Градуировка термометра сопротивления.

Таблица 1.

toC

R, Ом

toC

R, Ом

 

Внимание!!! Графики выполняются попарно (2 с 3 и 4 с 5 заданиями)

на двух листах миллиметровой бумаги размером 9х9 см и прилагаются к отчету

Термический коэффициент сопротивления, рассчитанный по графику

 

R₁= ; R₂= ; t₁= ; t₂= ; α= ± град^-1.

(Соответствует ли эта величина табличному значению для меди?)

 

Задание 3. Градуировка термистора.

Таблица 2.

toC

R, Ом

toC

R, Ом

Термический коэффициент сопротивления, рассчитанный по графику

R₁= ; R₂= ; t₁= ; t₂= ; α= ± град^-1.

 Сравните полученный результат с термометром сопротивления.

Задание 4. Изготовление и градуировка термопары.

Таблица 3.

toC

U, мкВ

Рассчитанное по графику значение удельной термоэЭДС исследуемой термопары:

a=ΔЕ/ΔТ. ΔЕ = мкВ; ΔТ = град. a= град_—¹

(Соответствует ли эта величина табличным значением для пары меди-константан?)

 

Задание 5. Изготовление и градуировка дифференциальной термопары.

Таблица 4

toC

U, мкВ

Измерение температуры тела:

1. мочка уха: показания гальванометра - мкВ; температура по графику  С^о.

2. пальцы рук: показания гальванометра - мкВ; температура по графику  С^о

 Дополнительное задание.

1.  Схема термоэлектрогенератора:

2.  Расчет размеров и параметров:

3.  Предложения по практическому применению.

[1] Яркость – физическая величина, применяемая для оценки энергии, излучаемой единицей поверхности тела в единицу времени в заданном направлении

[2] Из-за низкой чувствительности термопары градуировку следует проводить в более широком температурном интервале. Поэтому предпочтительно использовать электронагреватель, а в качестве эталонного термометра термопару заводского изготовления, входящую в комплект мультиметра.