Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Измерение температуры при помощи пирометра

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

 

Цель работы: изучить зависимость сопротивления металлов от температуры, научиться измерять температуру с помощью пирометра

Приборы и оборудование: лампочка накаливания, источник тока, потенциометр, вольтметр, амперметр, пирометр.

 

Краткая теория

Металлы обладают электронной проводимостью, т.е. носителями электричества в них являются свободные электроны, находящиеся в тепловом хаотическом движении - это проводники первого рода. Если к участку металлического проводника приложена разность потенциалов, то на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченная составляющая, обусловленная действием электрического поля. Положительные ионы металла препятствуют движению электронов. С увеличением температуры проводника тепловое движение ионов становится более интенсивным, поэтому интенсивность упорядоченного движения электронов уменьшается, а электрическое сопротивление возрастает.

Носителями электричества в проводниках второго рода являются подвижные ионы. Проводниками второго рода могут быть любые химические соединения с ионными молекулами (электролиты, уголь, стекло при высокой температуре и т.д.). Ионы принимают участие в тепловом движении не только в жидких, но и в твердых телах. Механизм теплового движения ионов отличается от движения свободных электронов и состоит в следующем. Ион, поколебавшись некоторое время (время "оседлой" жизни) около положения равновесия, переходит в некоторое смежное положение равновесия. С увеличением температуры возрастает амплитуда колебаний ионов около положений равновесия, а время "оседлой" жизни сокращается. Это означает, что ионы становятся более подвижными. Поэтому с увеличением температуры сопротивление проводников второго рода уменьшается. Другое отличие проводников первого рода от проводников второго рода заключается в том, что процесс прохождения электрического тока в проводниках первого рода не связан с переносом вещества.

В первом приближении зависимость сопротивления от температуры можно считать линейной:

Rt =R0(1+at) (7.1)

где a - температурный коэффициент сопротивления, зависящий от материала проводника. Температурный коэффициент сопротивления a характеризует относительное изменение сопротивления при изменении температуры на один градус.

(7.2)

Для проводников первого рода a>0, для проводников второго рода a<0. Для некоторых электротехнических сплавов (манганин, нихром, константан a настолько мало, что им можно пренебречь и считать сопротивление не зависящим от температуры. Согласно закону Джоуля-Ленца при прохождении тока в проводниках выделяется тепло, температура их возрастает. Значит, сопротивление Rt, будет меняться, являясь функцией проходящего тока:

R(I) = U / I. (7.3)

В итоге зависимость между силой тока и напряжением оказывается нелинейной.

 

Измерение температуры при помощи пирометра

Оптический микропирометр ВИМП-015М является яркостным микропирометром с исчезающей нитью переменного накала и электронно-оптическим преобразователем, работающим в видимой и ближней инфракрасной области спектра.

Принцип действия микропирометра основан на уравнивании яркости исследуемого тела с яркостью эталонного источника – специальной пирометрической лампочки. По мере возрастания температуры накаленного тела яркость его свечения увеличивается, а цвет меняется. Если сравнивать различные твердые или жидкие источники излучения в одних и тех же монохроматических (т.е. одноцветных) лучах или в лучах одной и той же длины волны, то яркость этих источников будет зависеть только от температуры. Оптическая система микропирометра позволяет рассмотреть нить лампочки на фоне изображения накаленного тела, температура которого измеряется. Изменением тока нити пирометрической лампочки ее яркость доводится до яркости измеряемого тела; в этом случае можно утверждать, что равны температуры нити и объекта измерения. Равность яркостей (фотометрическое равновесие) воспринимается наблюдателем как исчезновение нити на фоне изображения тела.

С другой стороны, температура нити пирометрической лампочки однозначно определяет ее сопротивление. В микропирометре пирометрическая лампочка входит в одно из плеч уравновешенного моста. Переменное сопротивление, приводящее мост к равновесию, непосредственно связано со шкалой яркостных температур.

Измерение яркостных температур состоит из двух этапов:

1) достижение равенства яркостей вращением фотометрического реостата;

2) уравновешивание моста вращением измерительного реохорда.

Телескоп микропирометра состоит из корпуса 1 (рис.7.1), узла объективной системы 2, узла окулярной системы 3. Внутри корпуса помещается пирометрическая лампочка 4 с юстировочным устройством 5, допускающим перемещение лампочки в вертикальной и горизонтальной плоскости на ± 3 мм. Левая сторона корпуса съемная. На ней монтируются переключатели монохроматических и поглощающих фильтров (рис.7.1).

Узел объективной системы состоит из двух труб – одной внутренней 12 и одной внешней 13 и оправы с объективом. Внутренняя труба неподвижна и служит направляющей для движения оправы с объективом. При вращении внешней трубы 13 штифт 15 перемещается по винтовой канавке и тянет за собой оправу с объективом. Таким передвижением объектива осуществляется наводка на резкость (т.е. обеспечивается резкая видимость изображения измеряемого тела в плоскости нити пирометрической лампочки). Для ограничения пучка лучей, падающих на нить пирометрической лампочки, служит диафрагма 16 (рис.7. 1).

Окулярная система для видимой области спектра представляет собой серийный микроскоп МИР-2 с микрообъективом ОМ-12 и окуляром Гюйгенса М-7. Окуляр помещен в подвижной трубке 17 перемещающейся внутри неподвижной трубы 18, которая закреплена в корпусе при помощи пангового зажима 19. Для удобства работы на окуляр надет наглазник 20 (рис.7.1).

Как уже указывалось, электрическая схема микропирометра представляет собой уравновешенный мост. Реостаты фотометрирования и измерительный реохорд вместе с сопротивлениями моста конструктивно составляют один узел мостовой схемы 23 (рис.7.2).

Принцип действия системы механической связи между реостатом фотометрирования и измерительным реохордом заключается в том, что при повороте кольца 24 реостата грубого фотометрирования (рис.7.2) затягивается реохорд измерения, благодаря чему предотвращается опасный для нуль-индикатора большой разбаланс моста. Торможение реостата фотометрирования и одновременное включение нуль-индикатора осуществляется рычагом-фиксатором 25, охватывающим реостат грубого фотометрирования 24 на правой стенке барабана 23 узла измерительной схемы.

Перемещающаяся в окне барабана узла измерительной схемы шкала проградуирована в градусах Цельсия. Шкала непосредственно соединена с кольцом 27 измерительного реохорда. Узел наводки (рис.7.2) обеспечивает поворот телескопа микропирометра вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, вертикальной и горизонтальной, точка пресечения которых совпадает с центром нити пирометрической лампочки.

Грубая установка телескопа микропирометра по направлению визируемого объекта производится при отпущенных стопорах 28 и 29.Поворот стопора 28 по часовой стрелке закрепляет грубую горизонтальную наводку телескопа: грубая вертикальная наводка закрепляется поворотом стопора 29 вниз. Точная наводка телескопа производится при зажатых стопорах. Механизм точной наводки собран в коробке, на которой выведены две оси с насаженными на них барабанчиками 30 и 31.

Для измерения температуры микропирометр устанавливается на треноге на расстоянии не менее 130 мм и от измеряемого объекта (считая от переднего среза объективной трубы).

Введение поправок в показания микропирометра. Как известно, температура (tизм) измеренная визуальным яркостным микропирометром, совпадает с действительной температурой (tд) тела лишь в том случае, когда измеряемый объект представляет собой модель абсолютно черного тела (достаточно глубокая полость в равномерно нагретом образце). В остальных случаях действительная температура (tд) тела может быть определена по его яркостной температуре (tизм) и по значению коэффициента излучаемой способности (el) по формуле:

(7.4)

где lэ - эффективная длина волны, при которой измерялась температура,

С2 - постоянная, равная 14388 мкм/град,

lэ = 1мкм – для ИК диапазонов,

el =0,4.

 

Порядок выполнения работы

1) Убедиться, что правый тумблер 22 (рис.7.2) на лицевой стенке микропирометра установлен в положение «высокие». Тумблер-переключатель 21 установлен в положение «встроенный».

2) На диске переключателя диапазонов измерения выгравированы цифры «1», «2», и «3», соответствующие таким же цифрам на шкалах и указывающие диапазон измерения. Диск переключателя диапазонов должен быть установлен на цифре «2» (от 1200 °С до 2000 °С).

3) Цветным точкам (белая и красная) на диске 6 (рис.7.2) переключателя монохроматических фильтров соответствует цвет светофильтра. Переключателя 6 в поле зрения должен быть введен красный светофильтр (красная точка).

4) Поставить рычага-фиксатора 25 поворотом в направлении отметки «Ф».

5) Включить установку (тумблер «вкл» на источнике питания) и вращая ручку реостата добиться минимальной яркости свечения лампочки.

6) Поворотом кольца 27 измерительного реохорда установить по шкале «2» (красная стрелка) температуру пирометрической нити 1300 °С.

7) Глядя в окуляр пирометра, найти пирометрическую нить и нить лампы накаливания.

8) Провести фокусировку нити пирометра (перемещением окуляра) и фокусировку нити лампы накаливания (поворотом телескопа микропирометра). Используя винты 30 и 31 (рис.7.2), совместить нити пирометра и лампы накаливания.

9) Сравнить цвет нитей. Вращением реостата точного фотометрирования 26 (рис.7.2) произвести более точное фотометрирование («исчезновение нити»).

10) Повернуть рычага-фиксатора 25 по часовой стрелке (в направлении отметки «И»), что закрепит реостат фотометрирования и одновременно включит нуль-индикатор, указатель которого при этом обычно отклоняется от нуля.

11) Мост необходимо привести в равновесие (указатель установить на нуль поворотом кольца 27 измерительного реохорда). При этом шкала микропирометра перемещается относительно отметки в окне барабана 23.

12) Измерить температуру встроенным прибором. Отсчет температуры по шкале соответствующего диапазона производить при нулевом положении стрелки индикатора (шкалы видимых диапазонов нанесены черной краской; инфракрасного диапазона – красной краской). Найденное значение температуры tизм. записать в таблицу.

13) Записать в таблицу показания вольтметра и амперметра при данной яркости свечения лампы накаливания.

14) Увеличить яркость свечения лампы накаливания и повторить пункты с 5 по 13 несколько раз.

15) Используя формулу (7.4) найти значения tд и по формуле (7.3) рассчитать сопротивление R проводника для каждого эксперимента.

16) Построить график зависимости R=f(tД).

17) По графику определить температурный коэффициент электросопротивления α, используя формулу (7.2), где R0 = 0,115 Ом.

Таблица 7.1

№ n/n I, A U, B R, Oм tизм, 0C tд, 0C α, 0C-1
             
           
           
           
           

Контрольные вопросы

1. Объясните механизм проводимости проводников первого рода.

2. Объясните механизм проводимости проводников второго рода.

3. Почему при изменении силы тока изменяется сопротивление нити лампы.

4. Как получить проводник с малым значением a?

5. Каков физический смысл a?

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...