Оптична пірометрія

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний педагогічний університет імені А.С. Макаренка

Кафедра теоретичної та експериментальної фізики

Реферат

Оптична пірометрія

Спеціальність 6. 40 203 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, T}dл (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 = 1,43 880 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_тах T = b, (9)

де b = 0,2897 10^-2 м К — постійна Віна. Цей вираз називається законом зміщення Віна — Голіцина або першим законом Віна.

Закон формулюється так: довжина хвилі л_тах, на яку доводиться максимум спектральної випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла, обернено пропорційна абсолютній температурі Т тіла.

Підставляючи у формулу Планка (3) вираз для л_тах, з (9) одержимо твердження, що максимальна спектральна енергетична світність абсолютно чорного тіла __{лтах, Т} зростає пропорційно п’ятому степеню абсолютної температури тіла Т (другий закон Віна), тобто

__{лтах, Т} = с ^МТ⁵, (10)

де с = 1,29 10^-9 Вт/м К

Інтегруючи функцію Планка (7) на всьому інтервалі довжин хвиль, отримаємо, що

__Т = __лТ dл = (11)

За формулою (11) можна знайти інтегральну випромінювальну здатність АЧТ. Вираз (11) одержав назву закона Стефана — Больцмана і записується так:

e_Т = х Т⁴, (12)

де х = 2 р⁵k⁴/15c²h³ — 5,6687 10^-8 Bт/м К. Стала х одержала назву сталої Стефана — Больцмана. За відомим значенням х, Планк вперше знайшов постійну h користуючись наступною розрахунковою формулою:

h = (13)

РАДІАЦІЙНІ ПІРОМЕТРИ І РАДІАЦІЙНА ТЕМПЕРАТУРА Вживаючи сталі законів Больцмана (у) і Віна (b) надійно встановленими, можна, користуючись ними, вимірювати і вищі температури, ніж ті, для яких вони були безпосередньо виміряні (екстраполяція до вищих температур). При застосуванні закону Больцмана треба з усіма застереженнями виміряти сумарне випромінювання, яке посилається до приймального апарата, враховуючи величину тілесного кута діючого випромінювання, втрати на відбивання і поглинання в приладі тощо. Тепер існують і порівняно прості переносні прилади, які дають змогу виконувати такі вимірювання з достатньою точністю. Будова цих так званих радіаційних пірометрів зводиться до можливості проектувати зображення джерела на приймач апарата так, щоб приймач s завжди був цілком покритий зображенням джерела і випромінювання входило в прилад під стали тілесним кутом, який визначається розмірами приладу.

рис. 2 Схема радіаційного пірометра для вимірювання радіаційної температури

При вимірюваннях прилад наводять на більш або менш віддалене джерело S достатнього розміру за допомогою об'єкта L, що дає змогу дістати різне зображення джерела на приймачі. Різкість зображення контролюється за допомогою окуляра, не показаного на рисунку 2. При цих умовах енергія, яку дістає пірометр, буде пропорціональна яскравості джерела незалежно від його відстані, подібно до того, як це має місце при розгляді оком віддалених світних джерел. Таким чином, покази пірометра залежатимуть від яскравості, а отже, й від температури спостережуваного чорного тіла. Проградуювавши спочатку пірометр за чорним тілом з відомою температурою, можна використати його покази для вимірювання досліджуваної температури. Як приймач у радіаційних пірометрах найчастіше застосовують термопару або болометр, але є також пірометри з біметалевою спіраллю, яка вигинається при нагріванні, з газовим термометром і т.д. Якщо тіло, що вивчається, не є чорним, то покази радіаційного пірометра дають не справжню температуру його, а так звану радіаційну температуру T_r, під якою розуміють температуру такого чорного тіла, сумарна радіація якою дорівнює радіації нашого тіла. Між справжньою температурою тіла T і його радіаційною температурою T_r неважко встановити зв’язок, коли відомо відношення сумарної випускної здатності вимірюваного тіла до випускної здатності чорного тіла при тій самій температурі, тобто відношення Э_T =. За самим означенням величина Э_T менша за одиницю. Вона звичайно трохи збільшується з відношенням температури.

Значення Э_T добре вивченні для багатьох технічно важливих матеріалів. Для металів вони невеликі (від 0,1 до 0,3), для окислів металів і для вугілля Э_T значні (досягаючи 0,9). Деякі цих значень подані в такій таблиці:

Знаючи Э_T і радіаційну температуру нагрітого матеріалу, ми можемо знайти його справжню температуру за допомогою очевидного співвідношення

Оскільки Э_T завжди менше за одиницю, то радіаційна температура тіла завжди менша за йог справжню температуру.

КОЛІРНА ТЕМПЕРАТУРА І РОЗПОДІЛ ЕНЕРГІЇ В СПЕКТРІ ВИПРОМІНЮЮЧОГО ТІЛА Якщо знайдено розподіл енергії в спектрі чорного тіла, то відомо положення максимуму на кривій енергії е_л, _Т і температуру можна визначити на підставі закону зміщення Віна за допомогою співвідношення л _макс T = b.

Так, для Сонця з врахуванням поправок на поглиблення в земній атмосфері знайдемо л _макс = 4700 ?, що відповідає температурі 6150⁰К, коли вважати Сонце за чорне тіло. Знайдені цифри мають характер середніх, бо для центра сонячного диска л _макс виходить дещо меншим, ніж для країв.

У тих випадках, коли випромінююче тіло не є чорним, застосовувати формулу Віна недоцільно. Однак іноді розподіл енергії в спектрі таких тіл можна практично ототожнити з розподілом енергії деякого чорного тіла температури T_с. У цьому випадку випромінююче тіло має такий самий колір, як чорне тіло температури T_с. Визначену так температуру T_с часто називають колірною температурою тіла.

З цього означення зрозуміло, що для тіл, характер випромінювання яких дуже відрізняється від випромінювання чорного тіла (приклад для тіла з чітко вираженими областями селективного випромінювання), поняття колірної температури не має смислу. бо колір таких тіл можна тільки дуже грубо відтворити за допомогою чорного тіла. У таких випадках коли колірну температуру можна визначити (так звані «» сірі тіла), наприклад вугілля, окисли, деякі метали), для відшукання цієї колірної температури треба дослідити розподіл енергії в спектрі за допомогою відповідних спектральних приладів. Рис. 3 відтворює результати такого дослідження Сонця; одночасно на ньому нанесені криві розподілу для чорного тіла температури 6000⁰К і 6500⁰К. Рис. 3 показує, що Сонце з чорним тілом можна ототожнити тільки досить наближено. З цим наближенням можна оцінити колірну температуру Сонця приблизно в 6500⁰К.

Рис. 3. Розподіл енергії в спектрі Сонця і в спектрах чорного тіла при температурах 6000⁰К і 6500⁰К. Порівняння кривих дає змогу вважати, що кольорова температура Сонця дорівнює 6500⁰К.

Щоб знайти справжню температуру за колірної температурою нечорного тіла, треба знати монохроматичну випускну здатність його для різних довжин хвиль, тобто відношення випускної здатності тіла, яке вивчають, і чорного тіла для даної довжини хвилі л і температури Т. Звичайно обмежуються встановлення її для двох довжин хвиль л = 6600? і л = 4700? і користуються спрощеним методом ідентифікації кольору з чорним тілом за допомогою порівняння в цих областях спектра.

ЯСКРАВІСНА ТЕМПЕРАТУРА І ПІРОМЕТР ІЗ ЗВИЧАЙНОЮ НИТКОЮ Найбільше поширений спосіб оптичного визначення температур грунтується на порівнянні випромінювання нагрітого тіла в одній певній спектральній дільниці л з випромінюванням чорного тіла такої самої довжини хвилі. Це порівняння з найбільшою зручністю здійснюють за допомогою пірометра із зникаючою ниткою, будова якого така.

Рис. 4. Схема пірометра з зникаючою ниткою для визначення яскравісної температури. Зліва показано будову лампи L.

У фокусі об'єкта О (рис. 4) розміщена електрична лампа L з балоном з доброго скла (найкраще у вигляді бочонка з плоскими денцями) і з ниткою, зігнутою у формі півкола. Окуляр Ок дає змогу спостерігати одночасно середню частину нитки і зображення поверхні досліджуваного джерела, яке проектується за допомогою об'єктива О і дзеркал М у площину нитки. Червоні стекла RR, розміщені між окуляром і оком, пропускають майже монохроматичну частину світла, яке випускається джерелом і ниткою. Звичайно область, яка пропускається, відповідає л = 6600?. Лампу, яка живиться струмом від батареї В. регулюють реостатом R; струм відлічують за прецизійним амперметром А. При вимірюванні температури струм у нитці регулюють доти, поки ця остання не зникає на фоні зображення. При цій величині струм I яскравості випромінювання нитки і джерела для л = 6600? збігаються між собою і, отже, для даного л збігаються і їх випускні здатності.

Якщо попереднім градуюванням за допомогою спостереження чорного тіла різної температури встановлено, яким температурам чорного тіла відповідає зникнення нитки при різних величинах струму I, то за показами амперметра ми дістанемо можливість робити висновок, якій температурі чорного тіла S_л відповідає випромінювання спостережувального джерела. Коли б джерело було також чорним тілом, то знайдена температура S_л була б його справжньою температурою. У противному разі знайдена температура характеризує температуру S_л чорного тіла, що має для л = 6600? ту саму яскравість, що й тіло, яке вивчають, при умовах спостереження Тому S називається яскравісною температурою джерела.

Коли відоме відношення Э₆₆₀₀ яскравості тіла, яке вивчають для л = 6600? до яскравості чорного тіла при тій самій температурі, то ми можемо за яскравісною температурою визначити і справжню температуру.

Відношення Э₆₆₀₀ визначено для багатьох технічно важливих матеріалів; воно в деякій мірі залежить від Е; деякі з них значень подані в такій таблиці:

Оскільки яскравість нечорного тіла може залежати від напряму, то значення Э₆₆₀₀ подану для напряму, нормального до випромінюючої поверхні. Так само треба наводити і пірометр. Зв’язок між яскравісною і справжньою температурами дається за допомогою співвідношення:

ln Э_{л T} =

де стала с₂ = = 1,438 см град.

Крім пірометрів із зникаючою ниткою є ряд інших приладів для визначення яскравісної температури, а за її допомогою — і справжньої температури розжарених тіл.

Отже, залежно від методу спостереження ми визначаємо оптично одну з трьох умовних температур: радіаційну (Т_r), колірну (Т_с) або яскравісну S_л. До справжньої температури можна перейти тільки тоді, коли відомо деякі додаткові параметри випромінюючого тіла Т_r і S_л завжди менші за справжню температуру, Т_с звичайно трохи більша за справжню і, як правило, менше відрізняється від неї, ніж Т_r і S_л.

ПІРОМЕТРИЧНИЙ КЛИН

Пірометричний клин служить для визначення температури розжарених тіл по їх випромінюванню. Співвідношення між кількістю енергії, яка приходиться на ту чи іншу довжини хвилі у випромінюванні розжареного тіла залежить від температури цього тіла: чим вища температура, тим більше зелених променів по відношенню до червоних. Тому по співвідношенню між зеленими і червоними променями чи між якими іншими кольорами можна судити про температуру тіла. Пірометричний клин якраз і служить для цієї цілі. Пірометричний клин представляє собою клин із пофарбованою зеленою фарбою желатину, приклеєний до скляної пластинки. На рис. 5 зображена крива «пропуску» фарбою променів з різними довжинами хвиль; по осі абсцис відкладені довжини хвиль, по осі ординат — «коефіцієнт пропуску». Ми бачимо, що ця фарба так же як і хлорофіл сильніше пропускає червоні промені ніж зелені.

Клір тіла, яке розглядаємо через яке не будь місце клина, визначається співвідношенням між кількістю червоних і зелених променів, які дійшли крізь клин до нашого ока. Коли яскравість червоних променів, випромінюваних тілом рівна В₁, а яскравість зелених променів В₂ (В₂ > В₁), то яскравість червоних і зелених променів В₂ В₁, які видно крізь клин, виразяться:

В₁ = В₁e^-k₁^б та В₂ = В₂e^-k₂^б

де k1 — коефіцієнт поглинання червоних променів, k₂ — коефіцієнт поглинання зелених променів (k₂ > k₁) і б — товщина клина в даному місці. Коли В₂ > В₁, то ми бачимо тіло зеленим. Коли ж існує зворотне співвідношення, то тіло здається червоним. Міняти співвідношення між В₁ і В₂, ми можемо, переміщаючи клин, так як цим ми міняємо б. Рівність між В₁ і В₂ настане при визначеній товщині б, яка визначиться із рівняння

В₁e^-k₁^б = В₂e^-k₂^б

При цьому положенні клина розжарене тіло буде здаватися нам безколірним. При подальшому збільшенні б червоні промені будуть мати перевагу над зеленими, так як збільшення товщини поглинання зелених променів росте швидше, ніж поглинання червоних (як ми указували k₂ > k₁). Місце переходу від зеленого кольору до червоного буде, очевидно, залежати від співвідношення між В₁ і В₂, т.є. в кінцевому рахунку від температури. Чим вища температура, тим більше В₂ по відношенню до В₁ і тим більше б, при якому настає цей перехід. Таким чином, коли проградуювати такий клин, нанісши вдовж нього температуру в градусах, можна по місцю переходу одного кольору в інший відразу оцінити температуру розжареного тіла. Точність такого методу визначення температур порядку 10%. Пірометричний клин знайшов широке застосування в металургії.

тепловий випромінювання пірометр клин

ВИСНОВОК

В даній курсовій роботі я розглянула основні положення теорії вивчення законів теплового випромінювання.

Закони теплового випромінювання є феноменалогічною теорією, у ній не розглядається ні будова речовина ні взаємодія електричного поля з частинками речовини. Найважливішими наслідками оптичної пірометрії були передбачення електромагнітних хвиль та електромагнітної природи світла.

Вона має важливе пізнавальне і практичне значення.

Під час захисту роботи я довела, що застосування оптичної пірометрії відіграє важливу роль у техніці. Саме цим і спричинена актуальність мого дослідження.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1.Савельєв І.В. Курс загальної фізики, т.3 - М.: Наука, 1989 р. ст. 301

2. Г. С. Лондсберг «Оптика» Державне учбове педагогічне видавництво радянська школа. — Київ, 1961 р. ст.731

3. Шпольський Є.В. Атомна фізика т. 1 — М.: Наука, 1963

4. А. В. Кортнев, Ю. В. Рублев, А. Н. Куценко Тамм І.Є. — М.: Наука, 1961

5. Матвєєв А. М. Оптика. — М.: Наука, 1985 р. ст. 351

6. І.М.Кучерук, І.Г. Горбачук Оптика. Квантова фізика Київ: Либідь,

2006 р. ст. 517

7. К. А. Путилов, В. А. Фабрикант Курс фізики т. 3 Оптика М: Фізматгиз 1960 р. ст.634