149904 (Энергетическая освещенность)

Министерство образования Российской Федерации

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей»

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Основы научных исследований»

Тема: «Энергетическая освещенность»

Вариант: 74

Студент: Литвинов Александр Владимирович

Группа: АТ-312

Направление: 5521 «Эксплуатация транспортных средств»

Преподаватель: Зотов Николай Михайлович

Дата сдачи на проверку: ___________

Роспись студента: ___________

Волгоград 2003

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Характеристика энергетической освещенности ….…………………. 3

2. Способы, датчики и приборы, используемые для измерения энергетической освещенности и их принципы работы……….……..…………6

3. Примеры измерения энергетической освещенности при производстве, испытании, диагностировании, техническом обслуживании и ремонте автомобилей или их элементов ….…..……………..……………12

Список литературы…………………………………………………….....13

1. Характеристика энергетической освещенности

До относительно недавнего времени (начало XX века) глаз человека был единственным известным приемником излучения. Поэтому мера излучения определялась только реакцией глаза, т. е. световым потоком.

Однако в настоящее время положение существенно изменилось. Хорошо известны и во многих случаях подробно изучены излучения в ультрафиолетовой и в инфракрасной областях спектра; часто говорят также о рентгеновском и гамма-излучениях, энергия которых в большинстве случаев относительно мала. В связи с этим появилась потребность в оценке общей мощности излучения не только со зрительной (визуальной), но и с физической точки зрения, и наряду со световым потоком все большую роль начинает играть поток излучения, который иногда называют также лучистым потоком. Под потоком излучения (лучистым потоком) понимается общая мощность, передаваемая электромагнитными колебаниями, независимо от длины волны или частоты излучений, входящих в состав рассматриваемого потока. Поток принято обозначать буквой Ф и измерять в ваттах.

Как естественное следствие того, что поток излучения становится одной из основ радиационной энергетики, возникает потребность во всех видах его производных, применяемых для характеристики разных случаев его пространственного распределения.

Угловая плотность лучистого потока называется силой излучения и определяется выражением:

,

г

Рисунок 1 – элементарный телесный угол и сила излучения

де dФ – лучистый поток, распространяющийся в данном направлении внутри элементарного телесного угла dΩ, содержащего это направление. Телесный угол есть мера множества прилегающих друг к другу направлений в пространстве (рис. 1). Он измеряется площадью, которую на поверхности сферы единичного радиуса вырезает коническая поверхность, содержащая все эти направления и имеющая вершину в центре сферы, или, что то же самое, отношением площади, вырезаемой на поверхности сферы произвольного радиуса к квадрату радиуса:

,

где – вырезаемая конической поверхностью площадь; l – радиус сферы.

Рисунок 2 – поток излучения, падающий на элемент поверхности

В данной работе рассматривается энергетическая освещенность (облученность), характеризующая уровень облучения поверхности, на которую падает поток излучения, и распределение потока вдоль поверхности (рис. 2). Таким образом, это величина, определяющая поверхностную плотность потока:

,

где dA – элемент облучаемой поверхности; dФ – падающий на этот элемент поток.

Очевидно, что если поток распределяется на поверхности равномерно, то:

,

где Ф – поток, падающий на всю поверхность.

Е диница измерения облученности – ватт на квадратный метр.

Д

Рисунок 3 – к расчету облученности: n – нормаль к облучаемой площадке dA

ля примера облученность солнечной энергией при высоком Солнце и чистой атмосфере (у земной поверхности длины волн λ = 0,3 - 4 мкм) в Белоруссии составляет для перпендикулярной лучам площадки 1 кВт/м², а для горизонтальной 0,8 кВт/м². Значение облученности может находиться в очень широких пределах.

Если поверхность dA облучается точечным источником (любой источник может считаться точечным при достаточно больших расстояниях по сравнению с размерами источников) и расположена под углом θ к оси телесного угла dΩ, то для облученности получим формулу (рис. 3):

.

Если поверхность нормальна к направлению распространения излучения, то:

.

Эту зависимость часто называют законом обратных квадратов.

Для характеристики общей насыщенности пространства энергией излучения вводится понятие пространственной облученности.

Для раскрытия понятия пространственной облученности введем понятие лучистости. Лучистостью B называется сила излучения с единицы площади проекции испускающей поверхности на плоскость, перпендикулярную к направлению излучения. Лучистость определяет поверхностно-угловое распределение лучистого потока в пространстве.

П

Рисунок 4 – к определению пространственной облученности

усть точка О находится в пространстве, где излучение распространяется во всевозможных направлениях (рис. 4). Опишем вокруг данной точки малую сферу с экваториальным сечением, площадь которого равна единице. Допустим, что элемент пространства, окружающего сферу, видимый из точки О под телесным углом имеет лучистость B. Лучистый поток через сферу, создаваемый этим элементом пространства, равен:

,

а полный лучистый поток через рассматриваемую «единичную» сферу от всего пространства определится интегрированием этого выражения в пределах полного телесного угла 4π:

.

Лучистый поток, падающий со всех сторон на сферу с экваториальным сечением, равным единице площади, и называют пространственной облученностью E₀. Таким образом, пространственная облученность:

.

Если лучистость В постоянна по всему пространству, то:

.

В случае, когда излучение падает в данную точку пространства только из полусферы, обладающей постоянной лучистостью:

.

Размерность пространственной облученности одинакова с размерностью обычной облученности на плоскости: Вт/м².

Насыщенность пространства энергией излучения может быть определена еще при помощи среднесферической облученности E_4π, которая определяется выражением:

и представляет собой среднюю облученность по поверхности элементарно малой сферы с центром в данной точке пространства.

Необходимо подчеркнуть, что среднесферическая облученность представляет собой чисто расчетное понятие, тогда как облученность является физической реальностью, поддающейся непосредственному измерению. Наконец, очень важно то, что пространственная облученность – это функция точки, а облученность на плоскости – функция точки и направления.

2. Способы, датчики и приборы, используемые для измерения

энергетической освещенности и их принципы работы

Способы. Выделяют 3 основных способа измерения энергетической освещенности:

1. радиометрический способ;

Радиометрический способ основан на простом принципе: при поглощении тепловым приемником потока излучения происходит нагревание вещества. Ввиду этого измерение энергетической освещенности сводится к измерению температуры. Степень повышения температуры определяется в свою очередь путем измерения того или иного эффекта, зависящего от температуры. К ним относится тепловое расширение вещества, изменение его оптического сопротивления, испарение и т. д. Чаще всего эффекты линейно зависят от энергетической освещенности.

1. фотоэлектрический способ;

Фотоэлектрический способ основан на принципе фотоэффекта. Внешний фотоэффект наблюдается у металлов и некоторых полупроводников. При падении излучения на поверхность какая-то доля падающего потока поглощается. Энергия поглощенного фотона передается электрону внутри металла; его кинетическая энергия увеличивается. Если она превысит работу выхода, необходимую для преодоления потенциального барьера, то электрон вырывается из металла. Энергия выходящих электронов линейно зависит от частоты падающего излучения, а их число – от числа падающих квантов.

1. способ измерения энергетической освещенности через световые величины

При измерении энергетических величин приемник должен просуммировать излучения всех длин волн, испускаемые источником. Иначе говоря, он должен быть неселективным в пределах всего диапазона, излучаемого источником. Трудно обеспечить с достаточной точностью неселективность в очень широком диапазоне длин волн. Все измерения обычно производят в атмосфере, которая имеет значительное поглощение в различных участках ультрафиолетовой и инфракрасной областей. Дополнительное осложнение состоит в том, что это поглощение зависит от состояния атмосферы и, следовательно, меняется от случая к случаю. Если учесть все трудности, связанные с измерениями в широком спектральном диапазоне, в некоторых случаях может оказаться, что определение энергетических величин, в частности энергетической освещенности, через световые выгодно как с точки зрения точности, так и по соображениям трудоемкости.

Датчики. Датчиками при измерении энергетической освещенности являются приемники излучения (детекторы). До настоящего времени разработано множество типов приемников излучения. Они отличаются друг от друга механизмом действия, чувствительностью, точностью, селективностью к длине волны излучения, степенью сложности устройства. Для различных экспериментов удобны различные приемники. Широкое распространение получили тепловые приемники – приемники, в которых превращенное излучение превращается в тепло и измеряется вызванное этим изменение температуры. Они особенно удобны для измерений в инфракрасной области спектра. Тепловые приемники с некоторой оговоркой можно считать неселективным.