Описание установки
Измерение температуры нити накала лампы в настоящей работе осуществляется с помощью оптического пирометра с исчезающей нитью 0ПИР-0I7. Принцип действия пирометра основан на сравнении яркости раскаленного исследуемого тела и эталона.
Оптический пирометр ОПИР-017 (рис. 4) состоит из корпуса 1, в котором расположена труба объектива (на рисунке не видно) и окуляр 4, служащих для проектирования изображения накаленного тела (нити накала электрической лампочки Л) на изображение нити пирометрической лампы (см. рис. 3).
Нить
пирометра
u Л
Рис.
3
В крышке корпуса пирометра смонтирован кольцевой реостат R1 (8 на рис. 5), с помощью которого регулируют тока накала пирометрической лампы. При повороте реостата 8 по часовой стрелке ток накала пирометрической лампы увеличивается, при повороте против часовой стрелки – уменьшается.
В окуляре расположен красный светофильтр 5, который необходим для наблюдения нити накала пирометра на фоне изображения накаленного тела в монохроматических лучах. Сравнение яркости тел необходимо проводить в узком интервале длин волн, так как при изменении температуры изменяется не только яркость, но и цвет излучения. Поскольку мощность излучения реального тела при некоторой температуре всегда меньше мощности излучения абсолютно черного тела при той же температуре, то определенная таким образом яркостная температура всегда меньше истинной температуры тела. Тем не менее, зная яркостную температуру, можно расчетным путем определить истинную температуру тела, если известно
Рис.
4
отношение яркостей данного реального тела и абсолютно черного тела для выбранного цвета излучения. Так для вольфрама в красных лучах света с длиной волны 660 нм это отношение равно А = 0,43. Эталоном, яркость которого сравнивают с яркостью исследуемого тела, в оптическом пирометре служит нить эталонной (пирометрической) электрической лампы накаливания. Оптическая система пирометра позволяет рассматривать нить лампы пирометра на фоне изображения раскаленного тела (рис. 4). Пирометрическая лампа имеет дугообразную нить накала. Накаленное тело - расположенную горизонтально спираль (рис. 5).
Установив при красном светофильтре яркость нити накала пирометра равной яркости раскаленного тела, можно утверждать, что при равенстве монохроматических яркостей, равны и температуры этих тел. Так как температура нити пирометра известна, то известна и измеряемая яркостная температура исследуемого тела. Достижение равенства яркостей воспринимается наблюдателем как исчезновение нити эталонной лампы на фоне изображения тела (рис. 5). Электроизмерительный прибор 6 (рис. 4), смонтированный в крышке корпуса пирометра, показывает температуру нити накала пирометра и, следовательно, температуру объекта измерения, в градусах Цельсия.
Рис. 5
Порядок выполнения работы
1. Подготовить оптический пирометр к работе. Для этого проверить и при необходимости повернуть кольцевой реостат 8 пирометра против часовой стрелки до упора.
2. Подключить к сети и включить тумблер блока питания исследуемой лампы накаливания, с помощью реостата в блоке питания ycтановить напряжение на лампе накаливания в пределах (4 – 8) В, нить накала исследуемой лампы при этом должна засветиться.
3. Подключить к сети и включить тумблер блока питания оптического пирометра. Плавно поворачивая кольцо реостата 8 (рис. 4) по часовой стрелке довести температуру нити накала пирометра приблизительно до 1000 0С (по показаниям электроизмерительного прибора пирометра).
4. Передвигая тубус окуляра 4 (рис. ) добиться резкого изображения раскалённой дугообразной нити пирометра. При необходимости с помощью колёсика 5 ввести в поле зрения красный светофильтр, установленный в тубусе окуляра.
5. Направить объектив прибора на нить исследуемой лампы накаливания, температура которой подлежит измерению. Перемещать тубус объектива до тех пор, пока в поле зрения не появится четкое (обратное) изображение нити накала исследуемой лампы одновременно с нитью накала пирометра. Необходимо добиться такого положения, чтобы изображение объекта измерения пересекалось с изображением нити накала пирометра, как это показано на рис. 5. Изменяя поворотом реостата 8 яркость нити накала пирометра добиться такого положения, чтобы нить накала пирометра полностью "исчезла" на фоне измеряемого объекта, как это показано на рис. 5б. "Исчезновение" нити накала пирометра на фоне нити накала исследуемой лампы наблюдается при одинаковой яркости объектов. Отсчитать в этот момент значение температуры нити накала пирометра (t 0С) по нижней шкале 6 пирометра. Результаты измерения температуры нити накала, напряжение и силу тока в цепи исследуемой лампы занести в таблицу 1.
Таблица 1.
|
№ |
I,A |
U,B
|
t,0C
|
T, К |
<Т>, К |
T0, К |
σi |
<σi> Вт/м2Т4 |
Δσi |
(Δσi)2 |
S |
Sn |
α= tnα |
∆σСЛ Вт/м2Т4 |
|
1 |
|
|
t1 |
Т1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t2 |
Т2 | |||||||||||||
|
t3 |
Т3 | |||||||||||||
|
2 |
|
|
t1 |
Т1 |
|
|
|
| ||||||
|
t2 |
Т2 | |||||||||||||
|
t3 |
Т3 | |||||||||||||
|
3 |
|
|
t1 |
Т1 |
|
|
|
| ||||||
|
t2 |
Т2 | |||||||||||||
|
t3 |
Т3 |
Опыт повторить не менее трех раз, при различных значениях тока и, следовательно, температурах нити накала исследуемой лампы. При данном значении тока температуру нити накала исследуемой лампы с помощью оптического пирометра измерять три раза. Температуру окружающей среды ТО измерить с помощью термометра, находящегося на столе.
7. Закончив измерения, повернуть кольцевой реостат пирометра против часовой стрелки до упора и выключить из сети блоки питания приборов.
8. Вычислить постоянную Стефана-Больцмана по формуле:
Здесь (T = t + 273) - температура нити накала лампы, (Т0 = t0 + 273) - комнатная температуры, S - площадь поверхности раскалённой нити (указано на лампе), коэффициент А = 0,47, ток I и напряжение U на нити накала.
9. Вычислить случайную ошибку измерений сл. Вычисление провести по стандартной методике, приведенной в приложении. Доверительную вероятность, необходимую для определения коэффициента Стьюдента, задает преподаватель.
10. Вычислить
систематическую (приборную) погрешность
измерений. Для этого по формуле, полученной
в соответствии с п.8 приложения: 
(8)
вычислить относительную систематическую погрешность ПР для одного из результатов измерений, который, на Ваш взгляд, имеет наибольшую ошибку. Здесь I/I – класс точности амперметра, U/U – класс точности вольтметра, S - погрешность измерения площади нити накала лампы, Т – приборная погрешность измерения температуры, допускаемая пирометром, Т0 – приборная погрешность термометра. Вычислив относительную, найти абсолютную систематическую (приборную) погрешность:
пр = ПР<>
11. Вычислить полную
погрешность измерений по формуле:
.
В случае, если одна из погрешностей мала по сравнению с другой, ей пренебречь.
12. Округлить полную погрешность до первой значащей цифры. Затем до той же значащей цифры округлить и результат измерений. Ответ записать по форме:
Пример. Ответ: длина волны излучения лазера равна: = (0,75 0,02)10-6 м.