Методика выполнения работы. Лабораторная установка, предназначенная для изучения работы пирометра и определения его систематической погрешности (рис

Лабораторная установка, предназначенная для изучения работы пирометра и определения его систематической погрешности (рис. 4.1б), состоит из нагреваемого тела - нихромовой ленты 22, укрепленной на токопроводящих стержнях (ленточной лампы накаливания с колпаком 28), рубильника 23, источника питания лампы накаливания 24, реостата 25, амперметра 26 и вольтметра 27.

В качестве теплового излучателя в данной работе используется нихромовая лента, нагреваемая электрическим током. Если измерение температуры производить в центральной области ленты, то такой источник света можно считать равноярким.

Мощность тока P = IU, затрачиваемая на поддержание нихромовой ленты в накаленном состоянии при данной температуре Т, компенсирует излучаемую мощность. Однако не вся электрическая мощность Р идет на излучение, так как часть ее отводится в виде тепла вследствие теплопроводности токопроводящих проводов в среду, окружающую накаленное тело. Соответствующие оценки показывают, что потери на теплопроводность в используемой лампе накаливания составляют примерно 8 %.

Используя закон Стефана-Больцмана (4.1) и приравнивая электрическую мощность kIU (k = 0,92 - коэффициент, учитывающий потери на теплопроводность) мощности излучения нихромовой ленты с площадью поверхности S и коэффициентом излучения e, получим

(4.10)

где Т - температура ленты, T₀- температура среды, окружающей излучатель, а площадь ленты определяется равенством

S = 2(а + b)l, (4.11)

где а - ширина ленты, b - ее толщина, l - длина накаленной части ленты, т.е. расстояние между зажимами, в которых она укреплена.

Спектральный состав излучения некоторых металлов и сплавов, в т.ч. нихрома, никеля и др., покрытых окалиной, при нагревании их на воздухе близок к излучению абсолютно черного тела. Их коэффициент излучения одинаков для всех длин волн и зависит только от температуры, материала и состояния поверхности тела. Из таблицы, приведенной в [12], найдем, что для окисленного нихрома e = e_l = 0,9.

Уравнение (4.10) приводит к следующему выражению для температуры ленты:

. (4.12)

Следовательно, измеряя величину тока I амперметром 26, напряжение U - вольтметром 27, зная площадь поверхности нити S (указана на установке) и температуру окружающей среды T₀, можно вычислить температуру ленты Т, а затем по формуле (4.9) найти соответствующую ей яркостную температуру Т_я.

Проводя одновременно измерения яркостной температуры накаленного тела с помощью пирометра и сравнивая вычисленную Т_яс измеренной , можно оценить приборную погрешность пирометра:

(4.13)

где Т^пред- верхний предел измерения температуры по используемой шкале.

Порядок выполнения работы

1 Собрать схему лабораторной установки согласно рис. 4.1б.

2 Проверить, выключено ли питание пирометра, убедившись, что белая отметка на поворотном кольце 8 реостата стоит против такой же отметки на крышке 7 корпуса. Если этого нет, довести влево до упора кольцо 8. Поворотом кольца 8 реостата по часовой стрелке включить ток в схему пирометра и довести накал нити пирометрической лампы приблизительно до 1400 °С (по показаниям встроенного показывающего прибора). Направить телескоп на какую-нибудь не ярко освещенную поверхность (лучше темную) и, приложив глаз к выходной диафрагме окуляра, медленно перемещать тубус окуляра до тех пор, пока наблюдатель не будет видеть нить пирометрической лампы совершенно четко. Заметим, что плавно перемещать тубус удобнее всего, сообщая ему одновременно поступательное и слегка вращательное движение. При этом красный светофильтр поворотом обоймы 11 может быть выведен из поля зрения или введен в него по усмотрению наблюдателя в зависимости от индивидуальных свойств его зрения.

3 В зависимости от предполагаемого значения измеряемой температуры выбрать верхний предел измерения Т^пред поворотом накатанной рукоятки 4 поглощающих стекол. При измерении температур, находящихся в пределе более низких температур, рукоятку 4 поглощающих стекол следует установить так, чтобы белая указательная точка оказалась против голубой точки на корпусе 5. При измерении температур, находящихся в пределе более высоких температур, рукоятку 4 поглощающих стекол следует установить так, чтобы белая указательная точка оказалась против красной точки на корпусе 5.

4 Замкнуть рубильник 23, включить ток и с помощью реостата 25 подобрать рекомендуемое значение силы тока, нагревающего нихромовую ленту. Записать показания амперметра 26 и вольтметра 27, соответствующие этому значению силы тока.

5 Направить телескоп на ленту лампы накаливания, температура которой подлежит измерению и, приложив глаз к выходной диафрагме окуляра, медленно перемещать тубус 2 объектива до тех пор, пока не будет совершенно четко видно изображение ленты (перевернутое) одновременно с нитью пирометрической лампы.

6 Ввести красный светофильтр 16 и, изменяя яркость нити пирометрической лампы поворотом кольца 8 реостата, довести ее до того, чтобы исчез средний участок (вершина дуги) нити пирометрической лампы на фоне изображения ленты. Следует помнить, что поворот кольца 8 реостата по часовой стрелке увеличивает накал нити, а против часовой стрелки уменьшает его. Для более точного фотометрирования рекомендуется кольцо 8 устанавливать в такое положение, при котором исчезает нить, подходя к нему повторно и поочередно от слишком малой и от слишком большой яркости. Нить кажется темной на относительно более светлом фоне при слишком малой ее яркости, и светлой - на относительно более темном фоне при слишком большой яркости.

7 Отсчитать и записать измеренную температуру по положению стрелки встроенного показывающего прибора (относительно шкалы выбранного предела измерения).

8 Операции, указанные в п.п. 4, 6 и 7 повторить 5-7 раз, подбирая заданные значения тока накала нихромовой ленты.

9 По окончании измерений выключить ток поворотом кольцевого реостата 20 против часовой стрелки и выключить рубильник лабораторной установки 23.

10 Измеренные при выполнении п.п. 6 и 7 в градусах Цельсия яркостные температуры нагреваемого тела перевести в абсолютные температуры: = + 273 (в кельвинах).

11 Для каждого значения по измеренным значениям тока и напряжения с помощью формулы (4.12) найти расчетные Т_я.

12 Для каждой пары значений и Т_япо формуле (4.13) найти приборную погрешность пирометра, а затем ее среднее значение . Сравнить полученный результат с паспортными данными: для первого предела измерений (800 ¸ 1200 °С) ~ = 1,5%, для второго (1200 ¸ 1400 °С) -
= 2,5 %.

Лабораторная работа № 5