Курсовой проект (Экологический мониторинг) вариант 5

Московский государственный университет

инженерной экологии

Кафедра «Мониторинга и автоматических систем контроля»

Курсовая работа

по экологическому мониторингу

Вариант 5

гр. Н-XX

Выполнила: kuz-domovoj.narod.ru

Проверил: Куприн Е.Г.

Москва, 2004

КВАЗИМОНОХРОМАТИЧЕСКИЕ ПИРОМЕТРЫ

Понятие о температуре и о температурных шкалах

Температурой называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела. [4]

При контакте тел (газ, жидкость, твердое тело) теплота от одного из них переходит к другому до тех пор, пока значения средней кинетической энергии движения молекул этих тел не будут равны. Для сравнения степени нагретости тел используют изменение какого-либо физического их свойства, зависящего от температуры и легко подающегося измерению (например, объемное расширение жидкости, и т.п.).

Чтобы перейти к количественному определению температуры, необходимо установить шкалу температур, т.е. выбрать начало отсчета (нуль температурной шкалы) и единицу измерения температурного интервала (градус). Все предлагаемые температурные шкалы строились (за редким исключением) одинаковым путем: двум (по меньшей мере) постоянным точкам присваивались определенные числовые значения и предполагалось, что видимое термометрическое свойство используемого в термометре вещества линейно связанно с температурой t:

t=kE + D, где

k – коэффициент пропорциональности; E – термометрическое свойство; D – постоянная.

Принимая для двух постоянных точек определенные значения температур, можно вычислить постоянные k, D и на этой основе построить температурную шкалу. При изменении температуры коэффициент k меняется, при чем различно для разных термометрических веществ. Поэтому термометры, построенные на базе различных термометрических веществ с равномерной градусной шкалой, давали при температурах, отличающихся от температур постоянных точек, различные показания. Последние становились особенно заметными при высоких (много больших температуры кипения воды) и очень низких температурах. [4]

Термодинамическая шкала тождественна шкале идеального газа, построенной на зависимости давления идеального газа от температуры. Законы изменения давления от температуры для реальных газов отклоняются от идеальных, но поправки на отклонения реальных газов невелики и могут быть установлены с высокой степенью точности. Поэтому, наблюдая за расширением реальных газов и вводя поправки, можно оценить температуру по термодинамической шкале. В начале XX века широко применялись шкалы Цельсия и Реомюра, а в научных работах – также шкалы Кельвина и водородная. Пересчеты с одной шкалы на другую создавали большие трудности и приводили к ряду недоразумений. Поэтому в 1933 году было принято решение о введении Международной Температурной Шкалы (МТШ). Опыт применения МТШ показал необходимость внесения в нее ряда уточнений и дополнений, чтобы по возможности максимально приблизить ее к термодинамической шкале. Поэтому МТШ была пересмотрена и приведена в соответствие с состоянием знаний того времени. В 1960 году было утверждено новое "Положение о международной практической температурной шкале 1948 года. Редакция 1960 г.".

Температуру измеряют с помощью устройств, использующих различные термометрические свойства жидкостей, газов и твердых тел. Существуют десятки различных устройств, применяемых в промышленности, при научных исследованиях, для специальных целей. [4]. Рассмотрим бесконтактное измерение температуры по излучению.

Бесконтактное измерение температуры по излучению

Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 ⁰С и выше. [4]

На законах излучения основывается ряд бесконтактных методов измерения температуры. Наибольшее распространение получили следующие методы измерения температуры по излучению:

- Квазимонохроматический (яркостной) метод, использующий зависимость спектральной энергетической яркости тела от температуры.

- Метод спектрального отношения (цветовой), основанный на перераспределении с с температурой спектральных энергетических яркостей внутри данного участка спектра (отношения двух спектральных энергетических яркостей).

- Метод полного излучения (радиационный), основанный на зависимости энергетической яркости тела от температуры в широком спектральном интервале.

В связи с чрезвычайным разнообразием излучательных свойств реальных тел пирометры излучения градуируются по излучению абсолютно черного тела. Поэтому значения температуры реальных тел, отсчитанные по пирометрам излучения, являются не действительными температурами тела, а псевдотемпературами. Эти псевдотемпературы носят соответствующие названия: яркостная, цветовая и радиационная температура тела.

Яркостной температурой реального физического тела называется такая температура абсолютно черного тела, при которой спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела равна спектральной энергетической яркости реального физического тела при его действительной температуре. Аналогично можно дать определение цветовой и радиационной температурам. Радиационной температурой реального тела называют температуру, при которой полная мощность абсолютно черного тела равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре. Цветовой температурой реального тела называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения абсолютно черного тела для двух длин волн ₁ и ₂ равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре. [2]

Достоинства пирометров излучения:

- измерение основано на бесконтактном способе, следовательно, отсутствует искажение температурного поля, вызванное введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду, а также нет коррозии самого аппарата из-за высокой температуры;

- верхний предел измерения температуры теоретически неограничен;

- имеется возможность измерения температур пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях, когда трудно использовать другие методы. [3]

Недостаток пирометров излучения заключается в том, что они позволяют измерять только псевдотемпературы реальных тел. [2]

Рассмотрим подробнее теоретические основы и принцип действия квазимонохроматических (оптических) пирометров.

Теоретические основы работы оптических пирометров

Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 ^оС) нагретое тело испускает инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. По мере повышения температуры цвет тела меняется от темно-красного до белого, содержащего волны всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает спектральная энергетическая яркость (СЭЯ), т.е. излучение определенной волны (яркости), а также заметно увеличивается суммарное (интегральное излучение).

Теоретически можно обосновать лишь явление лучеиспускания абсолютно черного тела (коэффициент его лучеиспускания принимают равным единице). Все реальные физические тела обладают способностью отражать часть падающих на них лучей. Коэффициент лучеиспускания реальных тел меньше единицы, причем он зависит как от природы данного тела, так и от состояния его поверхности.

Возрастание СЭЯ с повышением температуры различно для волн разных длин и в области сравнительно невысоких температур для абсолютно черного тела описывается уравнением Вина:

,

где Е_0 - СЭЯ абсолютно черного тела для волны длиной ; Т – абсолютная температура тела, К; С₁ и С₂ – константы излучения, числовые значения которых зависят от принятой системы единиц; С₁= 2hc² (h – постоянная Планка, с – скорость света), С₂ = Nhc/R (N – постоянная Авогадро, R – универсальная газовая постоянная). [3]

Поскольку СЭЯ неодинакова для различных длин волн, уравнение Вина применяют в яркостной пирометрии для волны определенной длины (обычно для красного цвета длиной волны 0,65 или 0,66 мкм).

Уравнением Вина можно пользоваться до температуры примерно 3000 К. При более высоких температурах СЭЯ абсолютно черного тела описывается уравнением Планка [3]:

.

Реальные физические тела излучают энергию менее интенсивно, чем абсолютно черное тело. В результате измерения квазимонохроматическими пирометрами получают так называемую условную температуру. Для перехода от условной (яркостной) температуры к истинной используют преобразованное уравнение Вина.

Если сравнить СЭЯ Е_ реального (серого) тела при определенной длине волны  с СЭЯ Е_0 абсолютно черного тела при той же длине волны, то их отношение будет выражать степень черноты тела при определенной длине волны [3]:

.

Абсолютно черное тело при яркостной температуре Т_я и длине волны  имеет яркость В_0. Такую же яркость при той же длине волны имеет реальное тело при температуре Т, т.е. В_(Т) = В_0(Тя). Яркость тела В_ прямо пропорциональна СЭЯ Е_, следовательно,

В= kE_,

где k – коэффициент пропорциональности.

Яркость реального тела, нагретого до температуры Т, данной длине волны  [3]:

В_(Т) = .

Яркость абсолютно черного тела, нагретого до температуры Т_я:

В_0(Тя) = .

Сравнив правые части этих уравнений, после логарифмирования получим уравнение истинной температуры Т физического тела по яркостной (условной) температуре Т_я, измеренной квазимонохроматическим пирометром:

,