Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук




Скачать 24.11 Kb.
НазваниеУчебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук
страница4/10
Дата03.02.2016
Размер24.11 Kb.
ТипУчебное пособие
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
ЧАСТЬ 3. ДИАГНОСТИКА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО НЕПРЕРЫВНЫМ СПЕКТРАМ ИЗЛУЧЕНИЯ.


Описанные ниже методы весьма перспективны при исследовании горящих систем, содержащих конденсированную фазу.

3.1 Оптическая пирометрия.


Под оптической пирометрией (ОП) [20] подразумеваются методы измерения температур по излучению. Для равновесно-светящих абсолютно черных тел эта задача решается путем непосредственного применения формулы Планка. Методы оптической пирометрии используются для ре­шения многих практических задач. Нередки случаи, когда на­блюдаемый объект близок по своим свойствам к абсолютно черному телу. Примером могут служить лабораторные или за­водские печи с малым отверстием. Весьма важным достоинством оптиче­ской пирометрии является возможность производить измере­ния дистанционно.

Особый интерес представляет ОП при изучении высокотемпературных систем содержащих конденсированную фазу. К таковым относятся горящие объекты и плазма с конденсированной дисперсной фазой (к-фаза). Излучение таких объектов может значительно отличаться от равновесного. Однако измерить температуру к-фазы достаточно надежно можно, пожалуй, лишь методами оптической пирометрии.

В зависимости от того, на основании измерения какой фо­тометрической величины определяется температура Т, методы оптической пирометрии разделяются на три: радиационный, яркостный, цветовой. Рассмотрим их в отдельности.


3.1.1 Радиационный метод.


Радиационная температура является характеристикой полной энергии излучения тел. Если энергия излучения черного и нечерного тел с единицы площади равны, то температура ачт будет определять радиационную температуру Тр нечерного тела, истинная температура которого равна Т.

Поскольку между инте­гральными яркостью и светимостью имеет место соотношение B=R/π, то по закону Стефана—Больцмана для аб­солютно черного тела: В=σТ4/π .

Для нечерного тела можно записать:


В=< ε>σТ4/π =σТр4/π, (3.1 )


где < ε>-осредненное по длинам волн значение ελ.

Отсюда следует, что температура тела Т может быть най­дена путем измерения его интегральной яркости В:


Т=(πВ/< ε>σ)1/4 . (3.2)


Принимая во внимание выражения (3.1) и (3.2) получаем:


Т=(< ε>)-1/4Тр. (3.3)


Поскольку для реальных источников излучения ε <1, истинная температура оказывается выше радиационной Т>Тр. Например, для накаленной вольфрамовой нити ε ≈ 0.4, соответственно Т≈ 1.25Тр. Для ачт ε=1, следовательно, Т=Тр.



Рис.3.1 Оптическая схема радиационного пирометра.


Для определения яркости В используется радиационный пирометр, типичная схема которого изображена на рис.3.1 , где L линза, ab неселективный в широком диапазоне длин волн фотоприемник (болометр, термоэлемент, пироэлектрический фотоприемник, оптико-акустический приемник др.), G -регистрирующий прибор; S — поверхность тела, температура которого определяется. Линза L дает изо­бражение поверхности S в месте расположения фотоприемника и должна пропускать излучение как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах длин волн. Для горящих систем рабочий диапазон длин волн должен простираться до 10мкм. Понятно, что стеклянная и кварцевая оптика для этих целей не годиться. Необходимо использовать линзы изготовленные из NaCl или KBr. Радиационные пирометры градуируются с помощью модели абсолютно черного тела. Важно, чтобы площадь изображения источника и при градуировке, и при измерениях превышала площадь фотоприемной площадки.


3.1.1 Яркостный метод.


В этом методе температура опре­деляется по спектральной плотности яркости bλ, измеренной для какой-либо определенной длины волны λ. Сразу отметим, что при абсолютных измерений световых потоков к-фазы обычно получают информацию о спектральной светимости rλ, которая для косинусных излучателей равна rλ=πbλ.

Фактически из­меряется яркость ΔB для столь узкого интервала длин волн Δλ, что для него можно считать ΔB=bλ.Δλ. Тогда искомое зна­чение bλ.=ΔB/Δλ. Поскольку, по формуле Планка, bλ или rλ одно­значно определяется температурой абсолютно черного тела, то по значению bλ можно определить температуру Т.

Для тел, температура которых ниже 3000К, максимум из­лучения лежит в инфракрасной области с длиной волны λ> 1 мкм, и, если измерения проводить в видимой части спектра, можно пользоваться приближенной формулой Вина:


bλ= (С1/π)λ-5exp(-С2/λТ). (3.4)


Логарифмируя это выражение, получим для ачт:


Т=С2λ-1(ln(С1/π) -5lnλ -lnbλ)-1 . (3.5)


Для измерения температур этим методом используется при­бор, называемый пирометром с исчезающей нитью. Схема этого прибора изображена на рис.3.2.



Рис.3.2. Пирометр с исчезающей нитью.


Здесь О - объектив зрительной трубы, О' ее окуляр. В фокальной пло­скости объектива О получается изображение поверхности на­блюдаемого тела. Яркость изображения В' пропорциональна яркости объекта В. В фокальной плоскости объектива О по­мещается электрическая лампочка с однородными прозрач­ными стенками баллона . В окуляр О' одновремен­но наблюдаются изображение поверхности исследуемого тела и нить лампочки. Узкий спектральный участок выделяется с помощью цветного светофильтра Ф, располагаемого перед оку­ляром О'. Обычно выделяется область в красной части спект­ра вблизи λ= 0,66 мкм. Нить лампочки питается током от стабилизированного источника напряжения. Меняя силу тока с помощью реостата R, можно на­каливать нить более или менее интенсивно. При совпадении яркости нити и изображения нить исчезает на фоне изображе­ния. Таким образом, можно со значительной точностью устано­вить равенство яркостей нити и изображения поверхности на­блюдаемого тела. Прибор можно проградуировать по абсо­лютно черному телу, нагреваемому до определенных темпера­тур T. После этого температуры измеряются непосредственно по показаниям измерительного прибора G, соответствующим моменту исчезновения нити.

Для нечерных тел формула Вина заменяется форму­лой

bλλ1/π)λ-5exp(-С2/λТ). (3.6)


В выражении (3.6) фигурирует истинная температура тела, которую можно определить в случае, если известна величина ελ. Если для реального тела воспользоваться соотношением (3.6), т.е измерять температуру нечерного тела с помощью пирометра с исчезающей нитью (не внося по­правки на ελ), то будет измерена его яркостная температура Тя. Из сравнения выражений (3.6) и (3.4) получается выражение, связывающее истинную и яркостную температуру тела:


Т=(С2Тя)(λТяlnελ2)-1 (3.7)


Так как для нечерных тел ελ<1, то их яркостная температура всегда ниже истинной. Для абсолютно черного тела яркостная температура совпадает с истинной.


3.1.3 Цветовой метод.


Этот метод основан на измерении спектральных плотностей яркости bλ1 и bλ2 для разных длин волн λ1и λ2. Измерения могут снова выполняться с помощью пирометра с исчезающей нитью, но с двумя разными фильтра­ми. Один фильтр обычно берется с полосой пропускания вбли­зи λ1=0,66 мкм, а другой—в синей части вблизи λ2=0,47 мкм. Однако, целесообразнее использовать двухканальный пирометр, отградуированный с помощью модели ачт. Типичная оптическая схема представлена на рис.3.3. Ее основное достоинство состоит в том, что она позволяет легко настроить оба канала на заданную область пространства.




Рис.3.3 Оптическая схема цветового пирометра.


Излучение исследуемого объекта проецируется линзой 1 на полевую диафрагму 2, которая установлена в фокальной плоскости конденсора 3. Параллельный пучок после конденсора разделяется с помощью делительного устройства на два равных пучка и направляется через интерференционный фильтр 5 с помощью линзы 6 на фотоумножитель. Применение в качестве делительного устройства зеркальной призмы возможно, если объект стационарный и не меняет своего положения в пространстве. Действительно, как видно из оптической схемы пирометра (рис.3.3) излучение на фотоумножители попадает из различных (хотя и близко расположенных) пространственных областей объекта исследования. Поэтому случайные локальные изменения интенсивностей световых потоков будут связываться с температурными изменениями, хотя причина может быть иной. В связи с этим, деление пучка лучше проводить не по волновому фронту, а по амплитуде, например, с помощью полупрозрачного зеркала.

Вернемся к результатам обработки результатов измерений.

В приближении Вина, можно записать:


bλ1= (С1/π)λ1-5exp(-С21Т) ; bλ2= (С1/π)λ2-5exp(-С22Т). (3.8)

Логарифмируя (3.8) и беря разность полученных результатов, после простых преобразований получаем:


Т=С2(1/λ2 - 1/λ1) {ln (bλ1/ bλ2) -5ln(λ21)}-1. (3.9)


Если воспользоваться формулой (3.9) при обработке результатов измерений для нечерных тел, то будет определена цветовая температура Тц. Для нечерных тел при определении истинной температуры T надо знать значения ελ для обеих длин волн λ1 и λ2. Тогда по аналогии легко получить выражение для определения истинной температуры нечерного тела:


Т=С2(1/λ2 - 1/λ1) {ln (bλ1/ bλ2) + ln λ1/ ελ2) -5ln(λ21)}-1. (3.10)


Преимущество цветового метода по сравнению с другими заключается в том, что он требует измерения лишь относи­тельного значения спектральных плотностей яркости для двух длин волн.

Из сопоставления формул (3.9) и (3.10), полагая, что в формуле (3.9) стоит Тц, получается вы­ражение, дающее связь между Тц и Т


Т= Тц С2(1/λ2 - 1/λ1){ С2(1/λ2 - 1/λ1) - Тц ln λ1/ ελ2) }-1 (3.11 )


Каждый из коэффициентов ελ1, ελ2 для не­черных тел меньше единицы, но отношение ελ1/ ελ2 может быть как меньше, так и больше единицы. Поэтому из формулы (3.11) следует, что цветовая температура может быть как вы­ше, так и ниже истинной в зависимости от свойств тела. Причем отличие, как мы увидим далее, может оказаться весьма значительным. Для абсолютно черного и для серого тела цветовая и истинная тем­пературы совпадают.

Название цветовой температуры обусловлено следующими соображениями. Из приведенного определения следует, что цветовая температура нечерного тела равна такой температуре абсолютно черного тела, при которой отношение спектральных плотностей яркостей обоих тел для двух длин волн рав­ны. Поскольку же длины волн λ1 и λ2 берутся для двух концов видимого спектра — красного и синего, то равенство отноше­ния яркостей означает приблизительное равенство цветностей излучений нечерного и абсолютно черного тела.

Итак, рассмотренные выше методики оптической пирометрии обладают рядом достоинств таких, как безконтактность, бысродействие, которое определяется возможностями фотоприемников и регистрирующей аппаратуры, относительной простотой в использовании и не требующей дорогого оборудования. К сожалению, область их применимость ограничивается источниками с ελ→1, или с ελ = const (серое тело). В последнем случае цветовой метод является безупречным. Что же касается высокотемпературных дисперсных систем, то в этом случае указанные методы можно использовать с большой осторожностью даже, если система является оптически плотной. Как правило, пламя и плазма с конденсированной дисперсной фазой являются существенно несерыми объектами и, по крайней мере, в видимом и инфракрасном диапазоне их спектральная испускательная способность ελ<< 1. Как мы увидим ниже, это обстоятельство обеспечивает весьма существенное (на сотни градусов) и неоднозначное отличие яркостной и цветовой температуры от истинной. Обратимся, в связи с этим, к полицветовому методу [21], который, имея существенные преимущества по сравнению с традиционными методами ОП, все же не является панацеей.


3.1.4 Полицветовой метод определения температуры конденсированной фазы. Спектральная светимость. Спектральная испускательная способность.


Как уже говорилось выше, главным недостатком традиционных методов оптической пирометрии является то, что измеряется не истинная температура объекта. Проводится измерение радиационной либо яркостной, либо цветовой температуры [20]. Эти методы требуют изначальной информации о спектральной испускательной способности. В первых двух случаях измеренная температура оказывается заниженной, в последнем – возможны любые варианты. Суть полицветового метода заключается в следующем. Измеряется спектральная светимость объекта rl (см. соотношение 2.22а) в достаточно широком спектральном интервале. Далее, используя формулу Вина и закон Кирхгофа rλ= ελС1λ-5exp(-С2/λТ), строится график зависимости lnrll5 от 1/l. В интервале длин волн, в котором график

представляет собой прямую в указанных координатах, излучение можно считать серым, что и позволяет определить истинную температуру: T = -С1/tga (tga - тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс). Спектральная испускательная способность определяется согласно соотношению:


ελ = rl /rlb, (3.12)

где rlb – спектральная светимость абсолютно черного тела при температуре к- фазы. Методика измерения rl была описана во втором разделе.

Иллюстрация возможностей полицветового метода. Результаты исследования ламинарного диффузионного дисперсного факела (ЛДДФ) алюминия.

Исследовался факел газовзвеси сферических частиц Al с наиболее вероятным радиусом около 2 мкм. Концентрация горючего составляла 400-500 г/м3. Горение частиц Al проходило газофазно с образованием субмикронных частиц Al2O3. Частицы оксида имели сферическую форму с характерным наиболее вероятным диаметром ~ 0,1 мкм. Именно эти частица и вносили основной вклад в излучение факела [22].

Спектральная светимость факела Al представлена на рис.3.4. Результаты измерений аппрокимированы полиномом четвертой степени.



Рис.3.4. Спектральная светимость ЛДДФ алюминия.


Рисунок (3.5) иллюстрирует полицветовой метод определения температуры к-фазы во фронте факела. Причем представлена лишь та спектральная область длин волн, где указанная зависимость представляет собой прямую, что и предполагает методика измерения.



Рис.3.5. Иллюстрация к полицветовому методу определения температуры конденсированной фазы.


Прямая проводилась методом наименьших квадратов. Истинная температура оказалась равной Т = 3150±70К.

Полученные результаты позволили определить спектральную испускательную способность, которая резко возрастает в УФ диапазоне длин волн (рис.3.6). Такое поведение ελ можно объяснить размерным эффектом [23]. Для длин волн превышающих 0,5 мкм, ελ меняется слабо (источник почти серый) , что и объясняет линейную связь величин, представленных на рис.3.5 и позволяет определить истинную температуру.



Рис.3.6. Спектральная испускательная способность ЛДД факела Al.

Такой характер поведения спектральной испускательной способности приводит к значительному отличию цветовой температуры от истинной. Причем это отличие будет тем больше, чем короче λ2. Напомним, обычно измерения цветовой температуры проводится на длинах волн λ1=0,66мкм и λ2 = 0,47 мкм (по так называемому сине-красному отношению). На рис. 3.7 представлены результаты определения цветовой температуры. При этом λ1 фиксировалась и принималась равной 0.65 мкм, λ2 менялась в пределах исследованного диапазона длин волн. Как видно из рисунка 3.7 с уменьшением λ2 наблюдается рост цветовой температуры более чем на 1000К, что связано с монотонным увеличением величины ελ в области коротких длин волн.



Рис.3.7 Цветовая температура, определенная на различных длинах волн λ2 при фиксированной λ1=0.65 мкм.


На рис. 3.8 приведены результаты определения яркостной температуры на различных длинах волн. Тот факт, что ελ<<1 (см. рис. 3.6) приводит к весьма существенному занижению температуры, определенной яркостным методом (рис.3.8). Впрочем, отличие истинной и яркостной температуры тем меньше чем короче длина волны, на которой проводятся измерения.



Рис.3.8 Яркостная температура, определенная на различных длинах волн.


Весьма показательным, в связи со сказанным, может быть следующий пример. В работе [24] проведены измерения яркостной температуры в зоне горения магния, коэффициент ελ, которой приняли равным 0,3.В результате истинная температура оказалась равной 1900К. Абсолютные измерения яркости молекулярных полос MgO показали, что она превышает яркость излучения абсолютно черного тела в той же области длин волн. Это привело авторов к мысли о люминесцентном характере излучения MgO. С другой стороны , в работе [25] цветовым методом была получена температура равная 3900К, в то время как адиабатическое значение температуры должно быть равным 3100К, а истинное оказалось около 2650К [26].

С целью приобретения навыков обработки результатов измерений, ниже предлагается практическое задание.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Похожие:

Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук iconУчебное пособие Чита 2012 министерство образования и науки российской федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Учебное пособие предназначено для студентов 1 2 курсов направлений 081100 Государственное и муниципальное управление, 080100 Экономика...
Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук iconУчебное пособие разработано для подготовки студентов по специиальностям очной, очно-заочной форм обучения и экстерната по специальности «документоведение в управленческой деятельности»
...
Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук iconІi международная научно-практическая конференция “ полупроводниковые материалы, информационные технологии и фотовольтаика
Украины «Киевский политехнический институт», Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», Харьковский...
Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук iconУчебное пособие Санкт-Петербург 2010 удк 616-058: 93/99+61(06) isbn 57645-0189
В. П. Романюк, В. С. Лучкевич, И. Л. Самодова. История мировой и отечественной медицины: учебное пособие. – Спб.: Спбгма им. И. И....
Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук iconУчебное пособие министерство образования российской федерации гоу впо «уральский государственный педагогический университет»
Учебное пособие предназначено для курса «История музыкального образования», который входит в федеральный компонент учебного плана...
Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук iconМинистерство здравоохранения украины национальный медицинский университет имени А. А. Богомольца
Международная научно-практическая конференция ко всемирному дню здоровья, который
Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук iconВера Савченко «В глухом переулке»
Дерибасовская – Ришельевская: Одесский альманах (сб.) Книга 38.– Одесса, 2009. С. 225-232
Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук iconМинистерство образования и науки украины национальная академия наук украины
Б-63 Биоразнообразие и роль животных в экосистемах: Материалы V международной научной конференции. – Днепропетровск: Лира, 2009....
Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук iconМинистерство образования и науки украины национальная академия наук украины
Б-63 Биоразнообразие и роль животных в экосистемах: Материалы IV международной научной конференции. – Днепропетровск: Изд-во дну,...
Учебное пособие Одесса 2006 министерство образования и науки украины одесский национальный университет им. И. И. Мечникова Кафедра общей и химической физики. А. В. Флорко, В. Г. Шевчук iconМинистерство образования и науки украины национальная академия наук украины
Биоразнообразие и роль зооценоза в естественных и антропогенных экосистемах: Материалы III международной научной конференции. – Днепропетровск:...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница