измерения сверхвысоких и сверхнизких температур. Реферат 1 Способы измерения сверхвысоких и сверхнизких температур По дисциплине Физические основы получения информации
 Скачать 67.46 Kb.
|
|
Санкт-Петербургский национальный исследовательский Университет ИТМО Реферат №1 «Способы измерения сверхвысоких и сверхнизких температур» По дисциплине «Физические основы получения информации» Выполнил: Дорофеев А.В. Проверил: Олехнович Р.О. Санкт-Петербург 2021 Содержание Способы измерения сверхвысоких и сверхнизких температур………………3 Измерения сверхнизких температур……………………………………………4 Измерения сверхвысоких температур. Яркостной пирометр………………....6 Цветовой пирометр………………………………………………………………9 Список литературы……………………………………………………………...14 Способы измерения сверхвысоких и сверхнизких температур Современная термодинамика, определяет температуру как величину, выражающую состояние внутреннего движения равновесной макроскопической системы и определяемую внутренней энергией и внешними параметрами системы. Непосредственно температуру измерить невозможно, можно лишь судить о ней по изменению внешних параметров, вызванному нарушением состояния равновесия благодаря теплообмену с другими телами. Огромный диапазон существующих температур (теоретически максимально возможное значение температуры составляет  К) обусловил большое разнообразие методов их измерения. Наиболее распространенные методы измерения температуры и области их применения приведены в таблице 1.Таблица. 1 – Способы измерения различных температур
Измерения сверхнизких температур К сверхнизким, или «гелиевым», температурам относятся температуры, получаемые с помощью жидкого гелия (температура кипения около 4 К). Специфика методов измерения температур ограничивает этот диапазон значениями от 0 до 4,2 К (Некоторые источники, утверждают, что диапазон сверхнизких температур лежит в переделах от 0 до 10 К, поэтому мы будем рассматривать весь диапазон от 0 до 10 К). Существующие методы измерения сверхнизких температур распространяются лишь на отдельные участки этого диапазона. Так, для измерения температур от 1 до 4 К используются терморезисторы из фосфористой бронзы с мелкими включениями свинца. Свинец при температуре около 4 К переходит в состояние сверхпроводимости, сопротивление терморезистора изменяется. Такие терморезисторы имеют максимальную чувствительность при температурах от 1,5 до 4 К, но их показания зависят от величины рабочего тока, протекающего через терморезистор и внешних магнитных полей. Для измерения температур ниже 1 К используются методы магнитной термометрии, основанные на зависимости объемной магнитной восприимчивости  ряда парамагнитных солей от абсолютной температуры  , описываемой законом Кюри – Вейса: где С и  - постоянные, характерные для используемой соли.Термометр, осуществленный по этому принципу, представляет собой катушку индуктивности, внутри которой в достаточно однородном поле размещен образец из меднокалиевых или железоалюминиевых квасцов. Катушка включается в мостовую цепь, и изменение температуры, вызывающее изменение образца, приводит к изменению индуктивности катушки, пропорциональному измеряемой температуре.Для измерения температуры выше 4 К используется термошумовые термометры. Область их применения простирается до 1300 К. Основной трудностью при измерениях в области сверхнизких температур, кроме осуществления теплового контакта термометра с объектом измерения, являются методы градуировки используемой аппаратуры. В диапазоне температур от 1 до 4К базовым прибором для воспроизведения температурной шкалы является гелиевый газовый термометр. Примером такого термометра может служить прибор, созданный во ВНИИФТРИ (Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических и Радиотехнических Измерений) и имеющий строго постоянный объем, давление в котором, изменяющееся линейно с температурой, измеряется точным мембранным манометром. Кроме того, в диапазоне от 1 до 5К применяется конденсационные термометры, в основе которых лежит хорошо изученная зависимость давления насыщенных паров жидких газов от температуры. Точность, достигаемая при измерении температуры с помощью конденсационные термометров, весьма велика. Так, при использовании жидкого гелия погрешность измерения не превышает 0,002 К. Градуировка термометров в диапазоне температур от 4 до 10 К производится интерполяцией показаний платинового термометра, для чего используются угольные терморезисторы, изготовленные из специально обработанного каменного угля. Используя эмпирические зависимости сопротивления от температуры в области выше 14 К и ниже 4 К и производя интерполяцию внутри того диапазона температур, получают выражения, описывающие температурную зависимость сопротивления угольных термометров для температур от 1 до 14 К, которая обеспечивает определение температуры с погрешностью, не превышающей ±0,1 К. При это учитывают свойственную угольным термометрам нестабильность, и градуировку проводят перед каждым измерением. Измерения сверхвысоких температур К сверхвысоким температурам относятся температуры, лежащие в диапазоне от 5000 К и выше. Сверхвысокие температуры существуют в природе, но не на Земле, а в других телах Вселенной. Датчики радиационных пирометров используются для измерения температур в диапазоне от 20 до 2500°С, поэтому их рассматривать мы не будем. Пирометры - приборы для измерения температуры непрозрачных тел по их излучению в оптической диапазоне спектра. Тело, температуру которого определяют при помощи пирометра, должно находиться в тепловом равновесии и обладать коэффициентом поглощения, близким к единице. Распространены яркостные, цветовые и радиационные пирометры. Яркостные пирометры основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя. Спектральная плотность излучения реального тела в видимой части спектра определяется выражением:  где  – относительная лучепропускательная способность тела в данном участке спектра (0< <1). Сравнивая яркости двух объектов по спектральным плотностям излучения, можно определить интересующую нас температуру.Яркостные пирометры также имеют погрешность от неполноты излучения реального объекта измерения. Измеряемая ими температура  отличается от истинной Т. Связь между ними определяется выражением: где  – коэффициент неполноты излучения для данной длины волны λ (относительная лучепропускательная способность). При λ=0,6 и 0,7 мкм значение для различных материалов изменяется от 0,03 до 0,7, и кроме материала объекта зависит от состояния поверхности тела.Чтобы уменьшить погрешность, обусловленную неточным значением , можно проградуировать пирометр в рабочих условиях, используя эталонные средства измерения температуры поверхности контролируемого тела. Преимуществом яркостных пирометров по сравнению с радиационными является независимость их показаний от расстояния до излучающей поверхности и размеров этой поверхности. Конструкция датчика яркостного пирометра представлена на рисунке 1.   Рисунок 1 – Яркостной пирометр Датчик включает в себя телескоп с объективом 2. Для выделения узкой полосы рабочих частот перед окуляром поставлен светофильтр 4. Исследовать наблюдает объект измерения 1 через окуляр 5. 3 – эталонная лампа накаливания. 6 – реостат. 7 – измерительный прибор (миллиамперметр). В качестве образцового источника яркости в датчике используется лампа накаливания с нитью из вольфрама, имеющей форму петли. Изменение яркости излучения лампы осуществляется либо регулировкой тока, либо введением в поле зрения светофильтра переменной плотности (оптического клина). В первом случае шкала прибора получается нелинейной. Во втором случае угол поворота клина линейно связан с изменением наблюдаемой яркости объекта измерения. Сравнивание яркостей производится по наблюдению нити образцовой лампы накаливания на фоне исследуемого объекта. Если яркость объекта больше яркости нити, то нить видна в виде черной нити на ярком фоне. В противном случае нить видно ярко на фоне объекта. Яркостные пирометры обеспечивают высокую точности измерения температуры, так как яркость нити растет гораздо быстрее, чем ее температура. Поэтому при измерении яркости с погрешностью в 1% обеспечивается погрешность измерения температуры не более 0,1%. Если в рассмотренной конструкции удалить оптический клин и уравнивание яркостей объекта измерения и нити образцовой лампы осуществлять за счет измерения тока накала нити реостатом, то результат измерения температуры считывается со шкалы измерительного прибора (А). Поскольку яркость нити пропорциональна пятой степени тока накала, то шкала прибора будет весьма неравномерной. Однако при измерениях температуры объекта в узких пределах можно обеспечить высокую точность измерений. По сравнению с другими устройствами для измерения температуры пирометры позволяют определять ее бесконтактно при теоретически неограниченном верхнем пределе измерения; определять высокие температуры в газовых потоках при высоких скоростях и так далее. В простейшем визуальном яркостном пирометре с исчезающей нитью (рис.1) объектив фокусирует изображение исследуемого тела на плоскость, в которой расположена нить (ленточка) эталонной лампы накаливания. Через окуляр и красный фильтр, позволяющий выделять узкую спектральную область около длины волны  = 0,65 мкм, нить рассматривают на фоне изображения тела и, изменяя ток накала нити, добиваются выравнивания яркостей нити и тела (нить в этот момент становится неразличимой). Шкала прибора, регистрирующего ток накала, прокалибрована обычно в °С или К, и в момент выравнивания яркостей прибор показывает так называемую яркостную температуру ( ) тела. Истинная температура тела Т определяется на основе законов теплового излучения Кирхгофа и Планка по формуле: где  ,  – коэффициент поглощения тела, – эффективная длина волны пирометра.Цветовой пирометр Принцип действия цветовых пирометров основан на измерении отношений интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной и синей областях спектра. Поскольку измерения производятся на двух длинах волн  и  , то соответствующие им значения энергий определяются соотношением: Искомое значение температуры может быть найдено путем решения уравнения вида:  В связи с этим в состав цветового пирометра должно входить специализированное вычислительное устройство, либо оцифрованный сигнал с пирометрического датчика должен подаваться на персональный компьютер, на монитор которого выводится результат измерения. В том случае, если коэффициенты неполноты излучения равны для обеих длин волн и , измеренная цветовым пирометром температура тела равна истинной температуре тела. Это обстоятельство является одним из существенных преимуществ цветовых пирометров. Вторым важным преимуществом цветовых пирометров по сравнению с радиационными является независимость результата измерения от расстояния до объекта измерения и от поглощения радиации в среде.При измерении температур до 2500°С значения  и  могут быть определены предварительно экспериментальным путем. Но при измерениях температур порядка десятков и сотен тысяч градусов значения и неизвестны. В этом случае используется измерение интенсивностей излучения не на двух, а на четырех длинах волн (применяется четыре светофильтра). Располагая для составления четырех независимых уравнений, и решая их совместно, можно определить и , а затем вычислить и измеряемую температуру Т.Конструкция датчика цветового пирометра представлена на рисунке 2.  Рисунок 2 – Цветовой пирометр От объекта измерения 1, излучение проходит фокусирующий объектив 2, а затем – на катод фотоэлемента 4. Перед фотоэлементом 4 расположен вращающийся от двигателя 5 диск 3 со светофильтрами, выделяющими два участка спектра излучения. Поэтому в обоих участках спектра излучение воспринимается и усиливается усилителем 6 и одинаково. При этом отношение интенсивностей излучения не изменяется от изменения чувствительности измерительного канала. Поочередно воспринятые и усиленные излучения в каждом из участков спектра, поступает на вход устройство цифровой обработки результатов измерений 7. Энергия, которую испускает нагретое тело, зависит не только от температуры этого тела, но и от материала, из которого оно сделано. Различные материалы излучают по–разному, и это учитывается коэффициентом, называемым излучательной способностью. Излучательная способность показывает, какую часть от излучения, испускаемого идеальным излучателем находящимся при равной с нашим объектом температуре, излучает наш объект. Значение излучательной способности лежит в пределах от 0,01…0,02 (у полированных металлов) до 0,9…0,98 (дерево, строительные краски, поверхность земли, человеческая кожа и т.д.). Учет излучательной способности в одноканальных пирометрах осуществляется путем предварительного ввода ее значения в пирометр. В процессе измерения пирометр тем или иным способом компенсирует ослабление излучаемого сигнала, вызванное отличием излучательной способности от 1, после чего отображает измеренную температуру. Проблема состоит в том, что в цеховых условиях излучательная способность измеряемых объектов чаще всего неизвестна или известна с очень большой погрешостью. Измерить же ее непосредственно с приемлемой точностью потребитель по тем или иным причинам не может. В связи с этим вводимое в одноканальный пирометр значение излучательной способности нередко содержит ошибки, что приводит к погрешностям измерений, во много раз большим, чем основная погрешность используемого пирометра. Сказанное может быть проиллюстрировано следующим примером. Предположим, для измерения температуры 1000–градусного объекта мы используем пирометр частичного излучения с пироприемником, работающим в спектральном диапазоне 8…14 мкм. Основная погрешность пирометра пусть будет равна 1% от измеренного результата. Далее, пусть излучательная способность объекта равна 0,63, а мы ошибочно будем считать, что ее значение равно 0,6. Нетрудно показать, что подобная несущественная на первый взгляд ошибка в значении вводимой величины излучательной способности приведет к тому, что в результате измерения вы получите не 1000°С, а 1037°С, т.е. погрешность измерения окажется практически вчетверо больше основной погрешности прибора. В отличие от одноканальных, пирометры спектрального отношения вообще не требуют знания излучательной способности и предварительного ввода ее в прибор. Поэтому в цветовых пирометрах принципиально невозможны ошибки за счет использования неправильно определенной излучательной способности измеряемого объекта. Кроме того, благодаря отсутствию необходимости вводить в него значение излучательной способности, работа с цветовым пирометром намного проще, чем с любым яркостным пирометром, пирометром полного или частичного излучения. Все сказанное, естественно, распространяется также и на так называемые инфракрасные термометры, которые, как правило, являются все теми же пирометрами полного или частичного излучения. При работе с одноканальными пирометрами (инфракрасными термометрами) принципиально необходимо, чтобы размер измеряемого участка поверхности объекта был больше поля зрения пирометра на выбранном расстоянии и полностью перекрывал его. Если это не так, то прибор занизит показания, причем занижение может быть довольно значительным. В качестве примера рассмотрим все тот же уже упоминавшийся пирометр с пироприемником. Предположим, что его поле зрения на расстоянии 2 м от прибора составляет круг диаметром 2 см. Предположим далее, что мы с его помощью измеряем металлическую полосу большой длины толщиной 18 мм. Нетрудно показать, что поскольку такая полоска занимает не все 100% поля зрения прибора, а лишь 96,3% от него, в результате измерения вы получите вместо 1000°С всего 973°С, что втрое превышает основную погрешность измерения используемого пирометра. В отличие от одноканальных, пирометры спектрального отношения не требуют полного перекрытия измеряемым объектом своего поля зрения. Обычно для пирометров спектрального отношения считается нормальным всего 50%–е заполнение измеряемым объектом его поля зрения, и при этом в большей части диапазона измеряемых температур возникающая за счет этого дополнительная погрешность не превышает 1%. Сравните – 4–процентное неперекрытие поля зрения одноканального пирометра приводит к появлению 3%–й дополнительной ошибки, в то время как у цветового пирометра 50–процентное неперекрытие приводит к втрое меньшей дополнительной ошибке. Отсюда, в частности, следует, что при одинаковом показателе визирования цветовые пирометры позволяют измерять объекты с гораздо меньшими размерами, чем одноканальные приборы. Кроме того, цветовые пирометры менее критичны к точности наведения прибора на измеряемый объект. Независимо от фирмы-производителя, все одноканальные пирометры и инфракрасные термометры чувствительны к наличию между измеряемым объектом и прибором прозрачных защитных экранов, водяных паров, углекислоты и некоторых других газов, пыли, взвесей. Например, 8–мм защитный экран из стекла К–8 ослабляет излучение измеряемого объекта таким образом, что результат измерения может оказаться заниженным на 3…5%. На 1000°С это составляет от 30 до 50 градусов. Показания цветового пирометра в этих условиях чаще всего остаются неизменными, поскольку сигналы на выходе обоих каналов ослабляются примерно в одинаковое число раз. Отсюда следует, что при наличии защитных экранов или поглощающей промежуточной среды цветовые пирометры, в отличие от любых яркостных пирометров, пирометров полного или частичного излучения, позволяют производить измерения практически без потери точности. Все одноканальные пирометры и инфракрасные термометры характеризуются зависимостью результатов измерений от расстояния между пирометром и объектом. Причина этого состоит в том, что освещенность приемника излучения падает пропорционально квадрату расстояния от объекта до пирометра, а площадь поверхности объекта, излучение с которой попадает на приемник, растет медленнее, чем падает освещенность. В итоге, если не приняты специальные меры, при удалении одноканального пирометра от измеряемого объекта результат измерения будет монотонно снижаться, хотя температура объекта будет оставаться неизменной. Показания цветового пирометра в этих условиях остаются неизменными, поскольку сигналы обоих каналов с ростом расстояния до объекта ослабляются точно в одинаковое число раз. Отсюда следует, что показания цветовых пирометров, в отличие от любых яркостных пирометров, пирометров полного или частичного излучения, принципиально не зависят от расстояния между пирометром и измеряемым объектом. Поскольку любая оптическая система неидеальна, она всегда захватывает некоторое количество лучей от тех частей измеряемого объекта, которые лежат далеко за пределами поля зрения пирометра. Вследствие этого при измерении одноканальными инфракрасными термометрами и пирометрами (независимо от того, яркостными, частичного и полного излучения) нагретых объектов большой площади показания этих приборов оказываются заметно завышенными. Показания цветового пирометра в этих условиях остаются неизменными, поскольку сигналы обоих каналов возрастают при измерении нагретых объектов большой площади точно в одинаковое число раз. Отсюда следует, что показания цветовых пирометров, в отличие от любых яркостных пирометров, пирометров полного или частичного излучения, принципиально не зависят от площади поверхности измеряемого объекта. Список литературы Физическая энциклопедия / гл.ред. Прохоров А.М. - М.: Большая российская энциклопедия. 1994. Кременчугский Л. С., Ройцина О. В. Пироэлектрические приемники излучения. — Киев: Наук. думка, 1979. Пирометр Яркостной // Портал “Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии” http://www.heuristic.su/effects/catalog/tech/byId/description/1039/index.html Дата обращения: 13.03.2019 Пирометр Цветовой // Портал “Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии” http://www.heuristic.su/effects/catalog/tech/byId/description/1037/index.html Дата обращения: 13.03.2019 Методы получения и определения сверхнизких, низких, средних, высоких и сверхвысоких температур // Сайт “Mydocx.ru” https://mydocx.ru/10-77053.html Дата обращения: 12.03.2019 |