Лабораторная работа №1 Исследование излучательной способности материалов

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины Национальный технический институт Украины «КПИ» Лабораторная работа №1 Исследование излучательной способности материалов Выполнил: Студент группы: Киев 20 Лабораторная работа № 1 Исследование излучательной способности материалов. Цель работы - изучение терморадиометра и получение навыков г , ты с ним; измерение коэффициента теплового излучения и исследование его зависимости от типа материала и состояния его поверхности; определение энергетической светимости образцов материалов в заданных спектральных диапазонах. ^ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.Закон инфракрасного излучения нагретых тел . 2. Общие понятия. Все тела, температура которых отличается от абсолютного нуля (-273°С), являются источниками инфракрасного излучения. Характер излучения зависит от агрегатного состояния вещества. Согласно теории Бора, из лучение энергии связано с переходами атомов или молекул с более энергетических уровней на более низкие. Эти переходы сопровождаются испусканием квантов, энергия которых (1.1) где: - постоянная Планка; - скорость света в вакууме; - длина волны; -энергии соответствующие уровням n и m. Инфракрасное излучение является частью оптического излучения и занимает в спектре электромагнитных волн диапазон, характеризуемый длинами волн от 0.76 до 1000 мкм. Инфракрасное излучение занимает протяженную спектральну область, которая примыкает с одной стороны к видимому излучению, а к другой - к электромагнитным колебаниям радиодиапазона. Эту область спектра делят на четыре части: ближнюю ( = 0.76...3 мкм), среднюю ( =3…6мкм), дальнюю ( = 6...15 мкм), и очень далекую ( = 15...1000 мкм). Инфракрасное излучение, так же как и видимый свет распространяется однородной среде по прямой линии, может отражаться, преломляться, претерпевать дифракцию, интерференцию и поляризацию. Скорость распространения инфракрасных лучей равна скорости света. Разделяют три вида излучателей: абсолютно черное тело (АЧТ),серые тела и селективные излучатели. АЧТ испускает и поглощает теоретически возможный максимум излучения, это чисто идеализированное понятие. Большинство твердых тел имеет распределение энергии по спектру такого же характера, как и у АЧТ, имеющего такую же температуру, не зависит от длины волны и называется коэффициентом теплового, излучения. У селективных излучателей коэффициент теплового излучения зависит от ряда параметров излучателя. 1.2 Энергетическая светимость Энергетическую светимость АЧТ, Вт/м2, т.е. поток, излучаемый единицей поверхности в диапазоне длин волн о... , определяет закон Стефана- Больцмана: Ме = , (1.2) где Т-температура АЧТ, К; = 5,7х Вт/ -постоянная Стефана-Больцмана. Для "серых" тел закон Стефана-Больцмана имеет вид: Ме = (1.3) Коэффициент теплового излучения -величина безразмерная, характеризует долю суммарного по спектру излучения данного материала от излучения АЧТ, имеющего ту же температуру. Коэффициент теплового излучения зависит от материала излучающей поверхности материала, ее температуры Т, состояния и степени окисления. С увеличением шероховатости поверхности коэффициент теплового излучения повышается. Коэффициент теплового излучения воды близок к единице, практически слой воды толщиной 0,2...0,3 мм можно считать АЧТ. 1.3 Спектральная плотность энергетической светимости Так как чувствительные элементы телевизионных приборов воспринимают не суммарный поток излучения объекта, а поток излучения в определенном спектральном диапазоне, необходимо знать распределение энергетической светимости по длинам волн. Спектральная плотность энергетической светимости АЧТ по закону Планка имеет вид: , (1.4) где и -постоянные величины, связанные со скоростью света в вакууме, постоянной Больцмана и постоянной Планка. Положение максимума спектральной плотности потока излучения АЧТ определяется законом Вина: (1.5) где C = 2897,8 мкм К. Максимальное значение спектральной плотности энергетической светимости АЧТ: где = 1,2864 х105 Вт/м2 мкм 1.4 расчет энергетической светимости в заданном спектральном интервале. Энергетическую светимость АЧТ в заданном спектральном интервале ... рассчитывают с помощью табличных функций в зависимости от безразмерных значений величины (1.6). Для серого тела (1.7) Значения функций (Z) приведены в таблице 1. ^ ПРИМЕР РАСЧЕТА Определить энергетическую светимость серого тела с коэффициентом теплового излучения = 0,8 , и t = 427°С (Т=273 + 427 = 700К) в спектральном диапазоне 8,...,13мкм. Решение 1. По формулеё (1.5) определяем длину волны соответствующую максимуму спектральной плотности энергетической светимости: = 2898/Т = 4,14 мкм Рассчитываем безразмерные величины = 8/4,14=1,93; 13/4,14 = 3,14 По таблице 1. находим относительные значения спектральной плотности энергетической светимости Z( Z(1,93)0,70: Z(3,14)0,90 По формуле (1.7) рассчитываем энергетическую светимость в спектральном диапазоне 8,.., 13 мкм, ^ ОПИСАНИЕ ТЕРМОРАДИОМЕТРА ТРМ "И" Терморадиометр ТЕМ "И" предназначен для качественной оценки коэффициента теплового излучения исследуемых поверхностей и позволяет проводить ориентировочные абсолютные измерения коэффициента теплового излучения по модели черного тела, входящего в состав комплекта прибора. В комплект прибора входят также образцы сравнения с известными коэффициентами излучения. Терморадиометр имеет пределы измерения коэффициента излучения от 0,003 до 0,99, область спектральной чувствительности от 4 до 40 мкм. В основу его работы положен метод сравнения потоков теплового излучения, отраженных от зеркальной поверхности модулятора и от поверхности исследуемого объекта. Величина сигнала снимаемого с преобразователя колебаний инфракрасного излучения в электрический сигналы (болометра), пропорциональная разности этих потоков , которая имеет место из-за поглощения излучения при отражении от исследуемой поверхности и зависит от коэффициента излучения этой поверхности. Следовательно, между коэффициентом излучения исследуемых поверхностей и сигналом, поступаемым в измерительную схему терморадиометра, существует прямо пропорциональная зависимость. 2.1 Оптическая схема терморадиометра. Основным элементом оптической схемы терморадиометра является эллипсоид вращения 1 (см.рис.1), в одной из фокальных плоскостей которого расположена приемная площадка на болометре 4, в другой-исследуемая поверхность объекта. Источником излучения служит система, состоящая из нагревателя 2, выполненного в виде модели черного тела, нагреваемой резисторами 3 , и головки болометра 4, расположенной в полости нагревателя. Тепловой поток, излучаемый источником, модулируется зеркальным модулятором 5, расположенным в непосредственной близости от исследуемого поверхности объекта и плоскости входного окна эллипсоида. Модуляция лучистого потока устраняет влияние тепловых помех от различных частей терморадиометра. Отраженный модулированный поток концентрируется с помощью эллипсоида на приемной площадке болометра, вызывая периодическое изменение ее сопротивления и тем самым изменяя напряжение на болометре. 2.2 Электрическая схема теморадиометра. Электрическая схема терморадиометра состоит из болометра, полосового усилителя инфранизкой частоты (УИНЧ), линейного амплитудного детектора (АД) и источника питания. Блок-схема, поясняющая принцип преобразования модулированного теплового потока в электрические сигналы, приведена на рис.2. Модулированный тепловой поток от измеряемой поверхности объекта воздействует на термочувствительные элементы болометра, сопротивления которых изменяются по закону изменения теплового потока. В результате на болометре возникает падение напряжения: переменная составляющая этого напряжения, равна , через конденсатор С подается на вход усилителя УИНЧ. После усилителя напряжения детектируется детектором АД, на выходе которого включен измерительный прибор ИП. Так как =Р, то показания измерительного прибора ИП будут пропорциональны изменениям теплового потока Р. Конструктивно терморадиометр выполнен из двух отдельных блоков: блока измерительной головки (БИГ) и блока питания и управления (БПУ). Электрическое соединение БИГ и БПУ. Осуществляется с помощью электрического кабеля длинной 2 м. БИГ устанавливается на подставку 5 в перерывах между измерениями. БПУ подключается к электрической сети посредством электрического кабеля. 2.3 Методика проведения измерений. Для того, чтобы включить прибор, необходимо установить тумблер Сеть на БПУ в положении ВКЛ., при этом загорается сигнальная лампа. Установите переключатель диапазонов в положение "0-1" и включите модулятор. Установите измерительную головку на зеркало и ручкой «компенсация фона» установите по шкале терморадиометра отсчет 3 деления. Затем блок измерительной головки положите на модель черного тела и ручкой «калибровка» установите = 0.99. После чего наложите БИГ на поверхность исследуемого образца и проведите измерения. При значении коэффициента излучения исследуемой поверхности меньше 0.5 для повышения точности, измерения рекомендуется проводить на диапазоне 0-0.5. Оценку коэффициента излучения необходимо проводить быстро, т.к. излучаемый терморадиометром тепловой поток нагревает исследуемый материал, что в ряде случаев (особенно для образцов имеющих малую теплоемкость), может привести к существенному отличию значения е полученному на терморадиометре от реально существующего. 3. Задание. Ознакомиться с теоретическими сведениями о законах инфракрасного излучения и методикой определения спектральной энергетической светимости. Ознакомиться с описанием терморадиометра и методикой проведения измерений. Произвести измерение коэффициента теплового излучения каждой поверхности предлагаемых образцов, одна поверхность которого полирована, а другая обработана наждачным кругом. Используя полученные результаты, определить энергетическую светимость каждой поверхности образцов в спектральных диапазонах 6... 10 мкм и З0...40мкм при t = 20°С и t = 300°С. Оформить отчет.

Похожие:

	Лабораторная работа Исследование стабилизаторного источника электрического питания ипс-1 36 Лабораторная работа Исследование мостовой схемы выпрямления и умножения напряжения 6		Домашнее задание 6 Лабораторная работа Рекурсия и ее применение.... Лабораторная работа Простейшие алгоритмы сортировок (сортировка методом пузырька, вставки, выборки) 5
	Лабораторная работа №3 по микроэлектронике «Исследование схем усилителя с общим эммитером» Цель работы: экспериментальное исследование схемы усилителя с общим эмиттером; измерение параметров усилителя		Лабораторная работа №2 №1 Исследование сопротивлений проводников при параллельном и последовательном соединении
	Лабораторная работа №12 Исследование трехфазной цепи при соединении фаз источника и приемника треугольникам		Лабораторная работа исследование кристаллической структуры / порошковый метод дебая-шеррера Исследование кубической и гексагональной структур образцов с помощью дифракции рентгеновских лучей на поликристаллах (порошковый...
	Лабораторная работа №3 ...		Лабораторная работа №12 Цель работы: изучить методику измерения и оценки основных параметров производственного шума; исследовать звукоизоляционные свойства...
	Лабораторная работа №1 исследование работы выпрямителя Цель работы: ознакомление с физической сущностью процессов, происходящих в выпрямителе		Нтуу «Киевский Политехнический Институт» Физико-Технический Институт Лабораторная работа №3 Исследование функций, решение уравнений, численное интегрирование и интерполирование в MatLab