Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

Методика измерения температуры вольфрама яркостным пирометром

Эксперименты с излучением нечерных тел (вольфрам и другие металлы, применяемые в качестве нитей накаливания в осветительных приборах) показывают на то, что излучение нечерных тел может иметь селективный характер. Пунктирная кривая на рис. 602.1 указывает на то, что вольфрам обладает заметным селективным излучением в видимой части спектра (0,4 мкм – 0,6 мкм). Это обстоятельство делает вольфрам выгодным материалом для осветительных ламп накаливания.

Электрическая мощность

, (602.16)

подводимая к лампе, только частично содержит мощность N, затрачиваемую на свечение лампы в видимом диапазоне длин волн, и в этом смысле ее коэффициент полезного действия (КПД) равен

. (602.17)

Осветительные лампы характеризуются световой отдачей. За меру световой отдачи нечерного тела принимают отношение полного светового потока (в люменах), посылаемого лампой перпендикулярно светящейся площадке, к мощности (в ваттах), затрачиваемой на ее свечение:

. (602.18)

Как показывают опыты, световая отдача лампы обычно больше 1 и сильно зависит от температуры нагрева вольфрама и условий излучения (в вакууме или в газе). Световой поток нечерного тела связан с температурой формулой (602.9). Из равенства упомянутых потоков следует, что

, (602.19)

где S – полная площадь светящейся поверхности нити накаливания лампы.

Все безразмерные величины, входящие в (602.19), зависят от температуры нагретого тела по-разному. Выделим в (602.19) безразмерный коэффициент (отношение подводимой электрической энергии к световому излучению абсолютно черного тела)

, (602.20)

где S0 - площадь поверхности нити накала проекционной лампы, видимой в пирометре. Отношение (602.20) характеризует энергетические возможности преобразования электрической энергии в световую энергию абсолютно черного тела при использовании в качестве источника света накаленного вольфрама, который не является черным телом.

602.7. Описание установки

Исследуемая в лабораторной работе проекционная лампа имеет нить накаливания из вольфрама, выполненную в виде прямоугольной площадки. Подводимая к нити накала электрическая мощность измеряется вольтметром и амперметром. Схема подключения проекционной лампы показана на рис. 602.2.

В работе для измерений применяется оптический пирометр ОППИР-09 со встроенным показывающим прибором. Он принадлежит к числу яркостных пирометров монохроматического излучения с исчезающей нитью переменного накала и измеряет температуру тел, нагретых выше температуры начала видимого свечения. ОППИР-09 имеет шкалу с двумя пределами измерения температуры: 800 - 1400 оС и 1200 - 2000 оС. При работе на последней шкале необходимо ввести дымчатый светофильтр 8 (см. рис. 602.2). Цена деления шкалы 20 оС. Основная погрешность прибора при измерении яркостной температуры для пределов измерения от 800 до 1400 оС не превышает 21 оС, а на шкале от 1200 до 2000 оС не превышает 30 оС.

В табл. 602.1 приведено соответствие T и Tя в рабочем диапазоне температур пирометра первой шкалы, вычисленное по соотношению (602.15) для нагретого вольфрама, в предположении, что его коэффициент яркости 0,43 остаётся неизменным в этом диапазоне температур.

Таблица 602.1

Tя,0С00000)

 800

 850

 900

950

1 000

1 050

1 10000

1 150

1 200

Tя,К

1 073

1 123

1 173

1 223

1 273

1 323

1 373

1 423

1 473

T,К

1 116

1 171

1 225

1 280

1 335

1 390

1 445

1 501

1 556

Tя,0С)

1 250

1 300

1 350

1 400

Tя,К

1 523

1 573

1 623

1 673

T,К

1 611

1 666

1 721

1 776

В работе по формуле (602.20) рассчитывается зависимость параметра m от температуры. Для вольфрама он изменяется в диапазоне 0,1<m<0,7 и с ростом температуры уменьшается.

602.8. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с приборами экспериментальной установки, шкалами измерительных приборов. Занести в протокол классы точности, рабочие диапазоны измерительных приборов, рассчитать цену деления шкал приборов.

2. Произвести настройку пирометра. При снятом красном светофильтре в окуляре должны быть четко видны нить накала проекционной лампы и на ее фоне дугообразная нить фотометрической лампы пирометра. На окуляре и объективе пирометра имеются кольца с накаткой для наведения резкости.

3. Выставить регулятор выходного напряжения блока питания и регулятор накала нити пирометра в крайнее левое положение.

4. Включить тумблер «Сеть» блока питания.

5. Выставить минимальную яркостную температуру на пирометре регулятором тока накала нити пирометра.

6. Регулятором выходного напряжения блока питания включить проекционную лампу, установив на лампе слабое «красное свечение».

7. Наблюдая в окуляр пирометра и поворачивая регулятор выходного напряжения блока питания, добиться совпадения яркостей накала нити пирометра и нити проекционной лампы (см. рис. 602.3).

Внимание: при проведении измерений вначале на пирометре устанавливается температура, указанная в табл.602.1, а затем изменением тока и напряжения, подаваемого на проекционную лампу, добиваются совпадения яркостей нитей накала нагретой проекционной лампы и электрометрической лампы пирометра.

При измерении температур больше 1200 оС используйте дымчатый светофильтр.

8. При достижении совпадения яркостей накала нитей пирометра и лампы источника S снять показания яркостной температуры со шкалы пирометра и занести в таблицу.

9. Снять показания с вольтметра и амперметра для расчета мощности подводимой к лампе S, и занести в таблицу.

10. Дважды снять 13 точек зависимости температуры нагрева вольфрамовой нити от подводимой к ней электрической мощности P. Первый раз увеличиваем температуру накала проекционной лампы. Второй раз уменьшаем температуру накала проекционной лампы. Средние значения результатов эксперимента заносим в табл. 602.2, в колонки со второй по шестую.

11. Измерения температуры проводить с шагом 50 оС по шкале пирометра от 800 оС до 1400 оС.

12. Определить по табл. 602.1 истинную температуру проекционной лампы S (либо рассчитать самостоятельно по (602.15)).

13. Рассчитать, используя законы теплового излучения, величины lm (602.3), r*m (602.4), R*(T) (602.5), m (602.20), P*t = R*S для вольфрама, в предположении, что это абсолютно черное тело.

14. Площадь излучающей поверхности нити накала проекционной лампы, видимой в пирометре Sо = (44±5)мм2, считать известной из прямых измерений.

15. На миллиметровой бумаге построить графики зависимости:

a) температуры накала вольфрама T=T(P) от подводимой электрической мощности P;

б) зависимость .

602.9. Расчет погрешности измерения параметра m

Погрешность измерения параметра преобразования m определяем по формуле косвенных измерений, получаемой из (602.20). Оценку погрешности выполняем для строки 9 в табл. 602.2. Формулу для расчета погрешности m получить самостоятельно и привести в лабораторной работе. Сделать необходимые выводы.

Контрольные вопросы

1. Что такое тепловое (температурное) свечение тел и какими особенностями оно обладает?

Таблица 602.2

п/п

I,

A

U,

В

P,

Вт

Tя,

T,

K

m

lm,

мкм

r*m,

ГВт/м3

R*(T),

кВт/м2

P*t,

Вт

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

2. Что означает динамическое равновесие тела со своим тепловым излучением?

3. Какие количественные характеристики характеризуют излучательную и поглощательную способности нагретых тел? От чего они зависят?

4. Сформулируйте и запишите закон Кирхгофа.

5. Что такое универсальная функция Кирхгофа и какой аналитический вид она имеет?

6. Приведите график зависимости излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны и сравните его с излучательной способностью вольфрама. Какие выводы можно из этого сделать?

7. Какие тела Кирхгоф называл абсолютно черными?

8. Сформулируйте и запишите закон Вина. Как связана мощность теплового излучения с поверхностью, на которой происходит излучение?

9. Сформулируйте и запишите закон сохранения потока при излучении точечных тел.

10. Как можно трансформировать закон Стефана - Больцмана для излучения нечерных тел?

11. Расскажите о методике измерения температуры абсолютно черных тел пирометром.

12. Для чего в пирометре предназначена фотометрическая лампочка? Дымчатый фильтр? Красный светофильтр?

13. Дайте определение коэффициента яркости.

14. Что такое характеристическая температура пирометра?

15. Запишите выражение, связывающее яркостную температуру пирометра с истинной температурой тела.

16. Сформулируйте энергетические характеристики осветительных приборов, нагреваемых электрическим током.

17. Как зависит энергетическая светимость абсолютно черного тела от температуры?

18. Прямые измерения каких параметров вносят наибольшую погрешность в конечный результат при измерении параметра m? Что нужно сделать для того, чтобы ее уменьшить?

Схема мультивибратора на ОУ

Мультивибратор является автоколебательной схемой. Выход мультивибратора изменяет свое состояние на противоположное за счет действия времязадающей RC цепи. Составной частью мультивибратора является схема триггера Шмитта. При изображении мультивибратора к триггеру Шмитта добавляют времязадающую RC цепь, которая действует на инвертирующий вход ОУ вместо источника внешнего входного сигнала.

Будем рассматривать работу мультивибратора с момента подачи питания в схему. При подаче питания выход примет значение +Uнас или -Uнас. В первый момент конденсатор С разряжен и напряжение между входами равно Uоп. При установке в исходное состояние конденсатор С начинает заряжаться. Между входами ОУ напряжение Uоп-Uс, т.к. Uоп>Uс, то Uоп определяет выход ОУ. Когда Uс достигнет Uоп, произойдет переключение ОУ на противоположное. В момент равенства этих напряжений ОУ начинает работать в соответствии с его свойствами. Т.к. при этом напряжение между входами близко к нулю и меняет знак на противоположный, то и выходное напряжение меняется на противоположное. При изменении знака выходного напряжения меняется знак опорного и конденсатор начинает перезаряжаться по пунктирной стрелке. Когда положительное напряжение на конденсаторе сравнивается с положительным опорным (момент времени t2), выходное напряжение ОУ изменится на противоположное.

При включении схемы интервал (0-t1) короче, чем последующие интервалы. Для установившегося режима:

t1=t2=t3=...; T=t1+t3ºR3C1;  f=1/T.


Полупроводниковые детекторы оптического излучения