III. Экспериментальная часть.
3.1. Описание лабораторной установки.
Общий вид установки для измерения температуры АЧТ инфракрасным термометром приведен на рис. 2.4.
В состав установки входят следующие приборы: Модель абсолютно черного тела «КЕЛЬВИН-АЧТ-200», ИК-термометр «КЕЛЬВИН-КОМПАКТ Д1200», оптическая скамья и опора-держатель ИК-термометра.
Рис. 2.4. Экспериментальная установка.
1 – оптическая скамья; 2 – адаптер питания ИК-термометра; 3 – ИК-термометр «КЕЛЬВИН»; 4 – опора-держатель; 5 – винты-корректоры; 6 – винт укрепления опоры; 7 – абсолютно черное тело АЧТ-200; 8 – блок питания АЧТ-200.
Модель абсолютно черного тела «КЕЛЬВИН-АЧТ-200» 7 укреплена на оптической скамье 1. Питание АЧТ-200 осуществляется от внешнего стабилизированного блока питания постоянного тока 8. На оптической скамье также расположена опора-держатель 4, на которой установлены винты-корректоры 5, с помощью которых можно регулировать положение инфракрасного термометра 3 в ходе измерения. ИК-термометр удержан на опоре-держателе, а опора способна перемещаться вдоль оптической скамьи. Фиксация положения опоры-держателя осуществляется винтом 6. ИК-термометр подключен к источнику питания 220 В адаптером 2.
АЧТ-200 имеет встроенную защиту от переполюсовки напряжения питания – при неправильном подключении блока питания прибор не включается, сохраняя свою работоспособность.
Таблица 2.1. Общие технические характеристики основных приборов.
Наименование приборов |
Технические характеристики |
«КЕЛЬВИН-АЧТ-200» |
(+40...+200) °С.
|
«КЕЛЬВИН-КОМПАКТ Д1200» |
(–10...+1200) °С.
При Т <= 100 °С: 1 °С (абсолютной). При Т >= 100 °С: 1 % (относительной).
|
Принцип работы приборов и замечания.
ИК-термометр «КЕЛЬВИН-КОМПАКТ Д1200».
Принцип действия данного ИК-термометра основан на измерении абсолютного значения амплитуды электромагнитного излучения от объекта в инфракрасной части спектра и последующем преобразовании измеренного значения в температуру, его схема – электроника изображена на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Устройство ИК-термометра «КЕЛЬВИН».
1 – объект измерения; 2 – тепловое излучение; 3 – оптическая система; 4 – зеркало; 5 – видоискатель; 6 – ось видоискателя; 7 – измерительно-счетное устройство; 8 – корпус; 9 – электронный преобразователь; 10 – кнопка; 11 – датчик.
Тепловой луч, сфокусированный оптической системой, падает на датчик (первичный пирометрический преобразователь), в результате на выходе образуется электрический сигнал, пропорциональный значению температуры объекта измерения. Этот сигнал проходит через электронный преобразователь (вторичный пирометрический преобразователь), попадает в измерительно-счетное устройство и обрабатывается в нем. Результат отображается на дисплее (индикация у современных пирометров, как правило, цифровая).
Поле зрения – измеряемый диаметр объекта, с поверхности которого «Кельвин» принимает энергию инфракрасного излучения.
При измерении убедитесь, что измеряемый объект больше, чем размер пятна, внутри которого проводится измерение. Если точность измерения особенно важна, размер объекта должен превышать размер пятна по крайней мере в два раза.
Измеряемый диаметр объекта определяется показателем визирования и зависит от расстояния до ИК-термометра (рис. 2.6). Он равен произведению показателя визирования на расстояние до термометра.
Минимальный измеряемый диаметр – наименьший диаметр объекта, который может быть измерен при данном фокусном расстоянии и размере приемника. При увеличении или уменьшении расстояния измеряемый диаметр возрастает. При приближении к объекту вплотную измеряемый диаметр увеличивается до размеров входного зрачка прибора.
Индицируемая «Кельвином» температура будет не верна, если размер объекта меньше поля зрения. Так как объект, температура которого должна быть измерена, не заполняет все поле зрения, прибор принимает излучение от других объектов окружающей среды, которое оказывает влияние на точность измерения.
Рис. 2.6. Показатель визирования «КЕЛЬВИН-КОМПАКТ Д1200» (1:100).
Излучательной способностью объекта ε называется отношение мощности излучения объекта при данной температуре к мощности излучения абсолютно черного тела (АЧТ). АЧТ определяется как поверхность, излучающая максимальное количество энергии при данной температуре. Излучательная способность АЧТ равна 1,00. Излучательные свойства объекта определяются свойствами материала и чистотой обработки поверхности объекта, а не цветом его поверхности. В Таблице 1 приведены типичные значения излучательной способности некоторых материалов. Излучательная способность ε большинства органических материалов (дерево, пластики, краски и т.д.) равна приблизительно 0,95. Полированные металлические поверхности могут иметь излучательную способность, близкую к нулю, что затрудняет применение пирометрического метода измерения температуры.
Таблица 2.2. Излучательная способность некоторых материалов.
Материал |
Коэффициент излучения |
Цинк (окисленный) |
0,1 |
Луженая сталь |
0,1 |
Серебро (полированное) |
0,1 |
Обожженная глина |
0,75 |
Бетон |
0,7 |
Карбид кремния |
0,85 |
Окись алюминия (мелкозернистая) |
0,25 |
Двуокись кремния (мелкозернистая) |
0,4 |
Силикат циркония до 500 °С |
0,85 |
Кварц (необработанный) |
0,9 |
Уголь (сажа) |
0,95 |
Модель абсолютно черного тела «КЕЛЬВИН-КОМПАКТ Д1200».
АЧТ-200 снабжен индикаторами и кнопками управления, с помощью которых оператор задаёт требуемую температуру и контролирует текущее состояние прибора.
Температура излучателя измеряется с помощью встроенного в него аналогового датчика температуры контактного типа. Напряжение с датчика поступает на высокоточный аналого-цифровой преобразователь. Точное значение температуры излучателя вычисляется встроенным микропроцессором по таблице калибровочных значений.
Необходимая для поддержания требуемой температуры излучателя электрическая мощность регулируется встроенным микропроцессором. Для обеспечения высокой точности термостабилизации и ускорения выхода прибора на рабочий режим применен специальный алгоритм регулирования.