МУ - К-2 (Тепловое излучение), страница 3

По результатам измерений строится график U от Рзам -мощности электрического замещения (джоулево тепло):Рзам = Uзам2/Rзам(26)Из построенного графика видно, что U пропорционально РзамU = П Рзам(27)В хорошо сконструированном болометре значение П одно и то же в (21) и (27), т.е. "отклик"∆Ф=Рзам).приемника U одинаковый на одинаковое радиационное и калибровочное действие (∆Из наклона прямой на калибровочном графике можно найти П (см. формулу (27)).Термокомпенсация. Чтобы понять необходимость введения в схему (рис.

12) компенсационногоболометра (R2), надо иметь в виду, что излучением болометр нагревается всего на десятые долиградуса. Поэтому, в отсутствие второго болометра, изменение температуры воздуха в течениеопыта сильно искажало бы результаты измерения лучистого потока.Эту помеху можно значительно уменьшить (компенсировать) вторым болометром, который находится рядом с измерительным болометром, но не освещается исследуемым излучением. Действительно, на изменение температуры воздуха оба болометра будут реагировать одинаковымизменением сопротивления (на одинаковый множитель), поэтому баланс моста (25) нарушатьсяне будет. Компенсация будет тем лучше, чем меньше различаются болометры.Компенсационный болометр можно отключить тумблером Т2 (заменив его обычным резистором R6), чтобы сравнить стабильность приемника в двух режимах.ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКАУстановка , структурная схема которой показана на рис.13, включает в себя блок приемника иизлучателей (ПИ), вольтметр и источники питания приемника и излучателей.

К установке прилагается набор различных фильтров для измерения их прозрачности в инфракрасных лучах.Блок ПИ содержит: тепловой приемник, описанный ранее; источники теплового излучения типа серое тело (СТ) для изучения закона Кирхгофа и типа черное тело (ЧТ) для изучения закона Стефана-Больцмана и прозрачности фильтров. Термопара (ТП) предназначена для измерениятемпературы черного тела.Блок ПИ показан на рис. 14 в разрезе по горизонтали.

Излучатель ЧТ представляет собой металлический сердечник 1, нагреваемый нихромовой спиралью 2.Термопара 3 (или ртутный термометр) вставлена внутрь сердечника. Излучающая поверхностьимеет канавки треугольной формы и зачернена, чтобы ее коэффициент излучения был близок кединице (аТ ≈1). Сердечник находится в корпусе 4, заполненном теплоизолятором 5. Диафраг-ма 6 с круглым отверстием 7 площади Sизл задает рабочий размер излучателя. Пластина 8 с отверстием предохраняет диафрагму 6 от нагревания (тепловой экран). .Излучатель СТ, изготовленный из медной трубки с нагревательной спиралью внутри, имеет двеплоские поверхности различной степени «черноты». Излучатель может занимать два положения - рабочее 9 и нерабочее 10.Измерительный 11 и компенсационный 12 болометры находятся в приемной камере с небольшим входным отверстием 13, которое можно закрывать затвором 14.

Излучение, прошедшеемимо болометра 11, поглощается зачерненной пластиной 15 и не отражается обратно.На блоке ПИ имеются органы управления (рис. 13, 14): тумблеры УСТАНОВКА (питание блока), ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЯ (Т2 на рис.12), ИЗЛУЧАТЕЛЬ (включение электронагревателей)и ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ (тумблером - включение, а ручкой - регулировка напряжения замещения Uзам). С помощью переключателя НАПРЯЖЕНИЕ вольтметр присоединяется кразличным участкам электрической схемы для измерения, U, Uзам и UТ (термопара). Все этинапряжения, составляющие единицы - десятки милливольт, необходимо измерять с погрешностью не более - ≈ 0,1 мВ.Приемник питается стабилизированным напряжением, от величины которого зависит чувствительность П, поэтому в ходе опыта напряжение не следует менять. Электронагреватели ЧТ иСТ питаются от другого источника, напряжение которого можно изменять для изменения температуры и скорости нагрева.Приемник имеет некоторую тепловую инерционность и не мгновенно реагирует на внешниевоздействия (тепловое излучение или ток замещения).

Тепловая инерция излучателя ЧТ существенно больше и изменения его температуры происходят медленно.Термопара (термоэлемент) - это датчик температуры, основанный на явлении Зеебека: в замкнутой цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контактымежду которыми имеют различную температуру, возникает термоэдс и электрический ток.Для термопар подбирают такие пары проводников, чтобы иметь побольше термоэдс и устойчивость при высоких температурах (железо, никель, различные сплавы - константан, нихром,хромель, копель и др.).На рис.

15 показана схема измерения температуры черного тела. Спай хромель - копель имеетизмеряемую температуру Т, а спаи хромель – медь и копель – медь имеют комнатную температуру Т0 ≈ 295 К (медные провода соединяют термопару с вольтметром).При малых Т- Т0 (≤ 100 К) напряжение термопары UT прямо пропорционально разноститемператур спаев:UT=αα(T-T0)Коэффициент пропорциональности зависит от материала проводников (α≈ 20 - 70 мкВ/К). Прибольших Т- Т0 необходимо учитывать более сложную (нелинейную) связь между напряжениеми температурой. Зависимость Т от UT, приложена к установке.ВЫПОЛНЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЗадание 1. Ознакомление с установкой.1.

Ознакомиться с инструкцией. Записать параметры установки (данного экземпляра).2. Если в направляющие 9 (рис. 14) вставлен фильтр (или СТ), убрать его.3. Выключить тумблеры ИЗЛУЧАТЕЛЬ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ, включить ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЯ.4. Проверить, подключены ли источники питания и вольтметр в соответствии с инструкцией.5. Включить СЕТЬ вольтметра и источников питания. Установить рабочие напряжения. Включить тумблер УСТАНОВКА.6. Установить нуль приемника: закрыть затвор 14 (рис. 14), переключателем НАПРЯЖЕНИЕподключить к вольтметру выход приемника и медленно поворачивая ручку НУЛЬПРИЕМНИКА (точно) установить U=0 (при необходимости использовать грубую регулировку).Необходимо проверять и подстраивать нуль через 5…15 минут.Задание 2.

Изучение закона Стефана – Больцмана.Постепенно нагревая излучатель ЧТ, снять зависимость напряжения приемника U от температуры T ( напряжение термопары UT). Отсчеты производить через ∆T≈50…70 K (∆UT≈ 3…4мВ). Результаты измерений записать в таблицу 2.Таблица 2.ИЗМЕРЕНИЯ∆UTUОБРАБОТКАT,KT4 - T04 , K4∆Φ = U/П,ВтСкоростью нагрева можно управлять напряжением на спирали. Отсчеты следует производить,когда U и UT будут изменяться медленно. Поэтому, если нагрев слишком быстрый, перед отсчетом следует уменьшить напряжение.Установив максимальное допустимое напряжение на спирали, произвести измерения при высокой температуре.

Когда рост температуры замедлится, следует, не выключая излучателей и неуменьшая напряжения, перейти к следующему заданию.Задание 3. Изучение закона КирхгофаУстановить нуль приемника. Излучатель СТ вставить в направление 9 (рис. 14) перед приемником. Измерить U в двух положениях СТ. результаты записать в таблицу 3.Таблица 3.Поверхностьачерн/аметU, ВМеталлическаяЧернаяВычислить отношение коэффициентов поглощения (см. формулу(23)).Задание 4. Измерение коэффициента пропускания фильтров.Убрать СТ в нерабочее положение 10.

Установить нуль. Измерить U без фильтра и с фильтром,вставленным перед приемником. Результаты занести в таблицу 4.Таблица 4.Фильтр1. Без фильтра2. …………….……………….Толщинаτ-U-Вычислить τ (см. формулу (24)). Повторить измерения с другими фильтрами.Измерить температуру ЧТ и по закону смещения Вина рассчитать рабочий интервал длин волнпри исследовании фильтров. Результаты записать в таблицу 5.Таблица 5.UTλmaxT(0,5 - 3) λmaxПримечание: измерив U и UТ, дополните таблицу 2 результатом при большой температуре.Задание 5. Калибровка приемника.Выключить излучатель, закрыть затвор, установить нуль.Включить тумблер ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И снять зависимость U от Uзам(пока U не достигнет максимального значения в предыдущих опытах).

Результаты занести втаблицу 6.Таблица 6.UUзамРзам, (расчет по формуле(26))П=Задание 6. Исследование стабильности приемникаЦель - оценить преимущества приемника с компенсационным болометром по сравнению с приемником без него.Задание выполнять одновременно с обработкой результатов.Опыт заключается в сравнении временной стабильности нулевого уровня приемника в двух режимах - с термокомпенсацией и без нее.Выключить тумблер ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ЗАМЕЩЕНИЕ, закрыть затвор, установить нуль и втечение 5...10 минут следить за "уходом" нуля.

Запишите максимальный "уход" нуля.Выключить тумблер ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЯ, установить нуль и повторить измерения. Сравните максимальный уход нуля в двух режимах и сделайте вывод.Внимание!!! По окончании работы выключить тумблеры УСТАНОВКА, СЕТЬ. Закрыть затвор,убрать фильтры в коробку. Тумблер ТЕРМОКОМПЕНСАЦИЯ включить.ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ1. Построить калибровочный график и определить чувствительность приемника П (см. «калибровка» в разделе «Приемники излучения»).44442.

Вычислить Т (по формуле в инструкции), T - T0 (где Т0 = 295 К ) и ∆Φ от T - T0 (см.44табл.2). Построить графическую зависимость ∆Φ от T - T0 . Сделать вывод, выполняется ли вопыте закон Стефана -Больцмана. Определить постоянную σ (см.