Минск 2008

Министерство Образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет

Физический факультет

Кафедра энергофизики

Методические указания к циклу лабораторных работ

Применение инфракрасного пирометра в теплофизических исследованиях

Минск 2008

Авторы-составители:

Карбалевич Нина Александровна, кандидат физ.-мат. наук, доцент;

Мазаник Александр Васильевич, кандидат физ.-мат. наук, ст. научн. сотр.

Костин Алексей Николаевич, ассистент.

Утверждено на заседании Совета физического факультета

2 марта 2006 года, протокол №7

Целью цикла работ является изучение законов теплового излучения тел, излучательной и поглощательной способности различных поверхностей, процессов радиационного теплообмена, методов измерения температуры с помощью ИК пирометра; исследование двумерных температурных полей различных образцов, изучение методики расчета методических погрешностей при экспериментальных исследованиях процессов теплопроводности, определение коэффициентов тепло- и температуропроводности материалов.

Ограниченность источников энергии обусловливает постоянно растущий интерес к проблемам получения, передачи и рационального ее использования.

Интенсивное развитие промышленности и энергетики, внедрение новых технологий и материалов выдвигают задачу оценки влияния научно-технического прогресса, предотвращения или снижения его вредных воздействий на окружающий мир. Все большую актуальность приобретает проблема изменения существующей тепловой обстановки, поскольку выделение тепла создает предпосылки не только к появлению иного теплового режима, но и меняет характер процессов, происходящих в воздушных и водных бассейнах, биологических объектах, экологической обстановки в целом.

Окружающую нас тепловую обстановку создают самые разнообразные источники, выделяющие тепло. Измерение различных тепловых величин, характеризующих эти источники – важная задача энергетики, теплотехники и теплофизики. Одной из таких величин является температура.

Измерение температуры осуществляется высокочувствительными датчиками: термопарами, термометрами, терморезисторами и др. Однако существуют такие ситуации, когда использование вышеуказанных преобразователей не позволяет оценить температурное поле объекта, например, распределение температуры на отдельных участках детали. При измерении температурных полей энергетического оборудования и машин, объектов живой природы и сооружений используются инфракрасные датчики, жидкие кристаллы, термочувствительные краски и пленки.

Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной (непрерывный) спектр излучения, т. е. излучают энергию всех длин волн — от 0 до ¥. К твердым телам, имеющим непрерывный спектр излучения, относятся полупроводники, изоляторы и металлы с окисленной шероховатой поверхностью. Металлы с полированной поверхностью, газы и пары характеризуются селективным спектром излучения. Интенсивность излучения зависит от природы тела, его температуры, длины волны, состояния поверхности, а для газов — еще от толщины слоя и давления. С увеличением температуры тела его энергия излучения увеличивается, так как увеличивается внутренняя энергия тела. При этом изменяется не только значение этой энергии, но и спектральный состав. При увеличении температуры повышается интенсивность коротковолнового излучения и уменьшается интенсивность длинноволнового излучения. В процессах излучения зависимость величины теплового потока от температуры значительно большая, чем в процессах теплопроводности и конвекции. Вследствие этого при высоких температурах основным видом переноса теплоты может быть тепловое излучение.

Тепловое излучение имеет сплошной спектр, однако распределение энергии в нем существенно зависит от температуры: при низких температурах тепловое излучение является преимущественно инфракрасным (ИК), при высоких температурах - видимым и ультрафиолетовым.

Нагретые объекты являются источником инфракрасного излучения. Границы ИК излучения соответствуют диапазону между видимым для человеческого глаза участком спектра и радиоволнами (0,76 мкм – 1 мм). В инфракрасной области спектра сосредоточена значительная часть излучения тел, нагретых от 4,2 до 2500-3000 К. Это значит, что большинство практически значимых явлений и процессов можно изучать, анализируя величину и распределение энергии, излучаемой ими в ИК диапазоне. В энергии этой области спектра заключена важнейшая информация о структуре, химическом составе и свойствах вещества.

Излучение тел обусловлено сложными внутриатомными процессами, в результате которых энергия различных видов преобразуется в энергию электромагнитных колебаний с различными длинами волн – рентгеновского, ультрафиолетового, светового и инфракрасного излучений. Температурам, характерным для теплотехнических процессов, соответствует диапазон длин волн от 0,4 до 40 мкм и включает световое (видимое) (0,4 – 0,8 мкм) и инфракрасное (0,8 – 40 мкм) излучение. Известные из оптики законы распространения, отражения и преломления видимого света справедливы и для инфракрасных лучей.

Радиационный поток, падающий на тело, частично им отражается, частично поглощается и пропускается телом. Тело, отражающее всю падающую на него радиационную энергию, называется абсолютно белым. Тело, поглощающее все падающие на него лучи, называется абсолютно черным. Тело, полностью пропускающее падающий на него радиационный поток, называется абсолютно прозрачным или диатермичным. В природе не встречаются тела, полностью соответствующие этим трем крайним случаям. Но есть тела, которые близко подходят к ним, например, у полированных металлов коэффициент отражения равен ~0,97; нефтяная сажа, бархат имеют коэффициент поглощения ~0,95-0,96; двухатомные газы О₂, N₂, Н₂ имеют коэффициент пропускания ~1. Воздух также является практически прозрачной средой, но при наличии в нем паров воды или углекислоты прозрачность его становится значительно меньшей.

Многие тела диатермичны лишь для определенных длин волн. Например, оконное стекло пропускает световые лучи и почти непрозрачно для ультрафиолетовых и инфракрасных лучей, кварц диатермичен для ультрафиолетового и светового излучения и непрозрачен для инфракрасного.

Если тело в одинаковой степени поглощает падающее излучение всех длин волн при любых температурах, то оно называется серым. Реальные тела приближенно можно считать серыми, причем у металлов коэффициент поглощения (средний по длинам волн) растет с температурой, а у неметаллов уменьшается. Для поглощения и отражения теплового излучения основное значение имеет не цвет, а состояние поверхности тела, например, белая поверхность хорошо отражает лишь световые лучи, а невидимое инфракрасное излучение она поглощает так же хорошо, как и темная поверхность.

Поверхность тела называется зеркальной, если она отражает падающие на него лучи в определенном направлении, составляющем с нормалью угол, равный углу падения. Поверхность называется матовой, если отраженные лучи рассеиваются по всем направлениям.

Основные законы и соотношения теплового излучения нагретых тел применимы для равновесного излучения, т.е. излучения, находящегося в термодинамическом равновесии с веществом.

Закон, устанавливающий связь между способностью тела поглощать и излучать энергию, носит название закона Кирхгофа: для всех тел, независимо от их природы, отношение спектральной плотности излучения к спектральному коэффициенту поглощения при той же температуре и для тех же длин волн есть универсальная функция длины волны и температуры.

Закон Кирхгофа можно выразить равенством

, (1)

где индексы 1, 2,... относятся к первому, второму и т.д. телам. Допустим, что одно из этих тел — абсолютно черное. Обозначим его спектральную плотность излучения через u_lT. Учитывая, что коэффициент поглощения абсолютно черного тела равен единице, можно записать закон Кирхгофа в виде:

. (2)

Следовательно, универсальная функция Кирхгофа f (l, T) есть спектральная плотность излучения абсолютно черного тела, т. е ., f (l, T)=u_lT,поэтому отношение спектральной плотности излучения любого тела к его спектральному коэффициенту поглощения равно спектральной плотности излучения абсолютно черного тела для той же длины волны и при той же температуре.

Закон Стефана-Больцмана: Интегральная плотность излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

(3)

Величина s называется постоянной Стефана — Больцмана:

s == 5,6687×10^-8 Вт×м^-2×К^-4.

Энергия, излучаемая за время t абсолютно черным телом с площадью поверхности S при постоянной температуре Т,

E= sT ⁴ St (4)

Закон Стефана-Больцмана указывает на чрезвычайно быстрый рост мощности излучения с возрастанием температуры. Например, при повышении температуры с 800 до 2400К (т. е. с 527 до 2127° С) излучение абсолютно черного тела возрастает в 81 раз.

Если абсолютно черное тело окружено телами с температурой Т_o, то оно будет поглощать энергию, излучаемую этими телами.

В этом случае разность между мощностью испускаемого и поглощаемого излучения можно приближенно выразить формулой

. (5)

К реальным телам закон Стефана - Больцмана неприменим, для них наблюдается более сложная зависимость R от температуры, а также от формы тела и состояния его поверхности.

3акон смещения Вина: Длина волны l_о, на которую приходится максимум спектральной плотности излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела:

или (6)

Константа b, называемая постоянной закона Вина, равна b = 0,0028978 м ×К.

Таким образом, при повышении температуры растет не только полное излучение, но, кроме того, изменяется распределение энергии по спектру.

3акон Планка. Используя квантовую теорию, Планк получил следующее уравнение для спектральной плотности излучения абсолютно черного тела u_lT:

, (7)

где с₁=2phc², c₂=hc/k; c - скорость света в вакууме, k - постоянная Больцмана.

Из закона Планка получаются как частные случаи закон Стефана - Больцмана и закон смещения Вина.

Закон Стефана-Больцмана определяет общее количество энергии, излучаемой телом по всем направлениям. Однако распределение энергии неодинаково по различным направлениям. Согласно закону Ламберта, энергия, излучаемая телом в направлении, составляющем с нормалью к поверхности угол j, определяется соотношением

, (8)

где Е_n – энергия, излучаемая в направлении нормали к поверхности тела (j=0).

Интегрирование последнего равенства в пределах от 0 до 2p дает соотношение E_n= E/ p, то есть энергия, излучаемая в направлении нормали к поверхности, в p раз меньше полной энергии, излучаемой телом. Закон Ламберта справедлив для абсолютно черного тела. У серых шероховатых поверхностей этот закон подтверждается лишь в пределах j=0¸60^°. Наибольшее отклонение от этого закона наблюдается для полированных поверхностей.

Часть энергии, излучаемой абсолютно черной поверхностью dS₁ и поглощаемой черной поверхностью dS₂, прямо пропорциональна проекции dS₁ на dS₂, проекции dS₂ на dS₁ и обратно пропорциональна квадрату расстояния между этими поверхностями:

. (9)

Правило обратной пропорциональности передаваемой энергии от квадрата расстояния между поверхностями не выполняется, когда источники излучения имеют большие размеры по сравнению с расстоянием r. Для бесконечно большого источника влияние расстояния вообще исчезает. Поэтому, например, показания пирометра, служащего для измерения температуры, не зависят от расстояния до тех пор, пока поверхность, температура которой измеряется, закрывает все поле зрения или относительно очень велика.

Приведенные четыре закона излучения позволяют вывести расчетные соотношения для теплообмена между телами в прозрачных средах.

Одним из способов защиты от излучения служит экранирование, имеющее широкое применение. Если между двумя параллельными поверхностями, находящимися в прозрачной среде и имеющими температуры Т₁ и Т₂ (причем, Т₁ > Т₂), поставить перегородку, то она нагреется до некоторой промежуточной температуры Т₃. Допустим, что все площади этих поверхностей равны между собой и имеют одинаковую способность излучать:

e₁ = e₂ = e₃ = e.

Плотность теплового потока, излучаемая поверхностью 1 в сторону поверхности 3, составляет

, (11)

поверхностью 3 в сторону поверхности 2

. (12)

При установившемся теплообмене, когда нет прироста тепла ни в одном элементе, имеем:

q ₁₃ = q ₃₂

Следовательно,

(13)

(14)

Если бы не было перегородки (экран 3), то теплообмен между поверхностями 1 и 2 описывался бы уравнением

(15)

Таким образом, получаем, что

, (16)

то есть установка одного экрана вызывает уменьшение радиационного потока вдвое. Подобным образом установка n экранов вызовет уменьшение теплового потока в (n+1) раз. При этом достигается тем более высокий суммарный эффект, чем ниже излучательная способность материала, тогда значение e_э также мало. На описанном действии экранирования при слабой теплопроводности слоев воздуха основано действие изоляции из альфоля (алюминиевой фольги), применяемого при работе с высокими температурами.

В инфракрасной области спектра заключена значительная часть излучения нагретых тел. Это значит, что многие явления и процессы можно изучать или анализировать по энергии, излучаемой телами в ИК диапазоне. Например, это дает возможность определения теплофизических характеристик материалов экспериментальными методами, зная характер пространственно-временных изменений температуры, который зависит от краевых условий.

Рассмотрим трехмерную задачу теплопроводности. Дана пластина конечных размеров 2R₁´2R₂´2R₃ (параллелепипед), температура которой равна Т_о. В начальный момент времени пластина помещается в среду с постоянной температурой Т_с.

Поместим начало координат в центр параллелепипеда. Математически задача описывается следующими уравнениями:

(17)

, (18)

, (19)

, (20)

(21)

(22)

Распределение температуры симметрично относительно центра пластины. Решение задачи можно представить в виде произведения решений для трех неограниченных пластин, пересечением которых образован данный параллелепипед, т.е.

, (23)

где Т(x,t), Т(y,t), Т(z,t) – температуры соответствующих трех неограниченных пластин.

Решения для Т(x,t), Т(y,t), Т(z,t) удовлетворяют соответствующим дифференциальным уравнениям (17), начальным условиям (19) и граничным условиям, аналогичным (20)-(22). Решение задачи представляется в виде:

, (24)

где ,

, , (i =1, 2, 3).

Если длина 2R₂ и ширина 2R₃ велики по сравнению с толщиной 2R₁ (2R₂ = 2R₃ ®¥), то решение (24) преобразуется в решение для неограниченной пластины.

Рассмотрим двумерную нестационарную задачу теплопроводности для ограниченного цилиндра высотой 2h и диаметром 2R (начало координат помещаем в центре цилиндра), который первоначально находится в тепловом равновесии с окружающей средой, т.е. имеет постоянную температуру, равную Т_о. В начальный момент времени в центральной плоскости цилиндра (z=0) начинает действовать источник тепла постоянной удельной мощности q. Теплообмен боковой поверхности и торцевых поверхностей цилиндра со средой, температура которой равна начальной (Т_о), подчиняется закону Ньютона. Общее решение сформулированной задачи может быть представлено в следующем виде:

(25)

где l_m и m_n – соответственно корни характеристических уравнений

, в которых Bi=Bi_h=ah/l и Bi=Bi_R=aR/l; A_n определяется выражением ; k=h/R; Fo_h= a t/h²; J_o, J₁ – функции Бесселя соответственно нулевого и первого порядка первого рода.

Из двумерного решения можно получить соответствующее решение для неограниченной пластины. Для этого необходимо принять Вi_R=¥. В этом случае температура боковой поверхности цилиндра становится равной начальной температуре Т_о, а тепловой поток становится одномерным. При этом характеристическое уравнение принимает вид J_o(m)=0, а значение постоянной A_n будет равно . Раскрывая предел правой части уравнения при R®¥ (k®0), получаем решение для неограниченной пластины при граничных условиях третьего рода.

Использование импульсного плоского теплового источника позволяет рассчитать теплофизические характеристики материалов, из которых изготовлены образцы. Расчетное соотношение для коэффициента температуропроводности имеет вид:

(26)

где t_max – время достижения максимального значения температуры в точке, находящейся на расстоянии х от нагревателя, t_о – длительность теплового импульса.

Возможность измерения температуры в нескольких точках поверхности исследуемого образца позволяет повысить точность определения теплофизических характеристик по сравнению с классическими методами.

Из бесконтактных методов измерения температуры тел, излучающих в видимой области спектра, наибольшее значение в исследовательской практике имеют методы, основанные на законах теплового излучения абсолютно черного тела.

Для целей пирометрии исходной зависимостью, на основе которой разрабатываются методы измерений, служит формула Планка для спектральной плотности излучения черного тела:

(27)

Здесь r_l — энергия монохроматического излучения в единицу времени с единицы площади поверхности тела с длинами волн от l до l+dl, отнесенная к величине dl; Т — абсолютная температура;

с₁=3,7413×10^-16 Bт×м²

с₂=1,4380×10^-2 м×град;

h— постоянная Планка; k — постоянная Больцмана; с — скорость света в вакууме.

Приведенное соотношение показывает, что температура абсолютно черного тела в идеальном случае (без учета свойств сред, через которые проходит излучение) может быть найдена по результатам измерений: интенсивности суммарного по спектру потока излучения (радиационные пирометры); интенсивности квазимонохроматического излучения r_l в узком спектральном интервале (яркостные пирометры); распределения плотности излучения по различным длинам волн (цветовые пирометры).

В связи с тем, что в видимой области спектра монохроматическое излучение характеризует спектральную яркость черного тела, монохроматическая пирометрия получила название яркостной.

Ввиду трудности измерения абсолютной величины интенсивности излучения, в яркостных пирометрах используется принцип сравнения в монохроматическом свете яркости исследуемого тела с яркостью тела, предварительно градуированного по излучению абсолютно черного тела.

В радиационных пирометрах полная мощность излучения воспринимается теплочувствительным элементом (обычно - термобатареей), предварительно градуированным по излучению абсолютно черного тела.

Применение радиационных пирометров для измерений температуры реальных тел целесообразно в тех случаях, когда полный поток излучения объекта R мало отличается от R_o для черного тела при той же температуре.

Закон смещения Вина позволяет определить абсолютную температуру тела по длине волны, при которой имеет место максимум спектральной плотности излучения.

При промышленных измерениях температуры пирометрами, основанными на законе смещения, можно определять отношение интенсивностей излучения данного тела для двух заранее выбранных длин волн. Это отношение для каждой температуры будет различным и вполне однозначным и, следовательно, может служить критерием абсолютной температуры тела.

Пирометры, измеряющие цветовую температуру, применяются, как правило, с фотоэлементом, т. е. являются фотоэлектрическими цветовыми пирометрами.

Принцип действия фотоэлектрических пирометров основан на использовании зависимости между током I фотоэлемента и температурой Т источника излучения, освещающего фотоэлемент. В отношении точности измерения температуры фотоэлектрические пирометры могут конкурировать с оптическими и радиационными пирометрами.

Описание измерительного блока

Термометр ”Raynger” представляет собой радиационный пирометр для дистанционного измерения температуры. Принцип действия основан на измерении интегральной плотности излучения тел в ИК области спектра. Излучение тел проходит через оптическую систему прибора, поглощается его приемной частью и преобразуется в значение температуры. Индикация этих значений осуществляется в цифровой или графической форме на жидкокристаллическом дисплее или выводится на экран ПЭВМ.

Для проведения измерений, целью которых является получение зависимости Т=f(t) в данной точке исследуемой поверхности, необходимо запустить программу «Data Temp MX».

При этом откроется окно (рис. 1)

Рис. 1. Окно программы записи температуры, измеренной пирометром и термопарой

Кнопкой «начать/остановить измерение» начать измерение температуры с помощью пирометра (график красного цвета) и эталонной термопары (график синего цвета). Кнопкой «начать/остановить запись» начать регистрацию и запись температуры в таблицу.

Проведя необходимые измерения, остановить процесс регистрации данных повторным нажатием кнопки «начать/остановить запись». В пункте меню «Файл» выбрать команду «Экспорт», которая перешлет полученные экспериментальные данные в файл, имя и путь которого указывает пользователь (рис. 2). (Путь к файлу по умолчанию: c:/Program Files/Raytek/Data Temp MX/Data/имя файла).

Рис. 2. Окно пользовательской программы сохранения файла с числовыми данными

Сводная таблица измеряемых температур выглядит следующим образом (рис. 3):

Рис. 3. Окно файла, содержащего таблицу результатов измерения температур

Сохраненные результаты могут быть экспортированы для дальнейшей обработки и расчетов.

Используемый в лабораторной работе двухкоординатный стол на линейных шаговых двигателях позволяет осуществлять двумерное сканирование по координатам x и y поля размером 196х196 мм². Минимально возможное перемещение по обеим координатам составляет 200 нм, что позволяет применять стол не только для исследования двумерных температурных полей, но и решения теплофизических задач.

Управление двухкоординатным столом осуществляется с помощью специального блока, связанного через последовательный порт с персональным компьютером. Разработанная пользовательская программа позволяет одновременно управлять процессом сканирования и считывать данные с пирометра. В главном окне (рис. 4) программы пользователем задаются размер области сканирования, шаг сканирования, а также исследуемый материал (коэффициент излучения которого программе известен).

Рис. 4. Скриншот пользовательской программы для работы с

двухкоординатным столом и пирометром (окно после загрузки программы)

Меню “Настройки” (рис. 5) позволяет дополнительно изменять скорость сканирования, направление “змейки” сканирования, длительность задержки в каждой точке, включать/выключать режим дополнительного измерения температуры термопарой. Некоторые пункты меню, отмеченные звездочкой, могут быть изменены только при введении пароля. Это связано с тем, что неправильное задание некоторых параметров может привести к некорректной работе измерительной системы. В частности, не рекомендуется устанавливать скорость движения стола более 100 условных единиц.

Рис.5. Скриншот меню “Настройки” пользовательской программы для работы

с двухкоординатным столом и пирометром (окно после загрузки программы)

Для начала сканирования следует нажать кнопку “Старт”, которая становится активной лишь после возвращения стола в исходное положение (это достигается нажатием кнопки “ИП”). Процесс сканирования может быть приостановлен (кнопка “Пауза”), после чего возобновлен (“Продолжить”) или же прекращен (“Стоп”).

Результаты измерения отображаются на экране монитора (рис. 6) и могут быть по желанию пользователя записаны в файл в виде совокупности значений (T_i, x_i, y_i), как показано на рис. 7. Для этого следует нажать на кнопку “Результаты”.

Рис. 6. Скриншот пользовательской программы для работы с

двухкоординатным столом и пирометром (окно в процессе работы программы)

Рис. 7. Скриншот файла, содержащего результаты измерений распределения температуры.

Если возникает необходимость провести измерение временной зависимости температуры в некоторой точке, следует выполнить следующие действия: перевести двухкоординатный стол в необходимое положение, прекратить его движение, в меню “Настройки” снять галочку в поле “Пирометр”, после чего запустить программу «Data Temp MX» и работать с ней.

Лабораторная работа «Изучение радиационных свойств поверхностей»

Практические задания

1. Используя образцы, изготовленные из разных материалов, измерить пирометром и термопарой их радиационную и термодинамическую температуру. В стационарном режиме процесса теплообмена рассчитать величину теплового потока, измерив величину тока и напряжения, подаваемого на нагревательный элемент. Рассчитать величину коэффициента излучения поверхностей исследуемых тел. Сравнить полученные значения с табличными. Объяснить отклонения расчетных значений от табличных. Сравнить излучательную способность металлов и неметаллов. Измерив температуру воздуха ртутным термометром, рассчитать коэффициент теплообмена поверхности и среды.

1. Исследовать интенсивность излучения поверхностей под разными углами. Изменяя расстояние между излучающей поверхностью и объективом пирометра, исследовать зависимость интенсивности излучения от расстояния. Проверить выполнение закона Ламберта и объяснить отклонения от этого закона в случае металлических и диэлектрических поверхностей.
2. Исследовать радиационный теплообмен двух параллельных поверхностей. Убедиться в уменьшении радиационных потоков в случае применения одного (двух) металлических экранов.

Лабораторная работа «Использование метода оптического сканирования в исследовании теплофизических процессов»

В работе исследуются двумерные температурные поля образцов, изготовленных из различных материалов. В качестве источников тепла используются электрические нагревательные элементы.

Образцы размещаются в ячейке, закрепленной на двухкоординатном столике. С помощью ИК пирометра регистрируется радиационная температура образцов. Зная коэффициенты излучения поверхностей исследуемых образцов, рассчитывается термодинамическая температура этих тел.

Практические задания

1. Имея аналитическое решение двумерной нестационарной задачи теплопроводности с соответствующими граничными условиями, сравниваются результаты, полученные расчетным и экспериментальным способами. Оцениваются погрешности экспериментальных методов измерения температуры.

2. Используя образцы разных размеров, измерить их температурные поля. Сравнить значения температур в соответствующих точках. Рассчитать распределение температуры в образце, используемом в эксперименте (по уравнению (24)). Сравнить экспериментальные и расчетные значения. Определить размеры образцов, при которых на профиль температурного поля начинает влиять теплообмен с боковых поверхностей (т.е. когда не выполняются условия одномерности теплового потока, или исследуемый образец перестает удовлетворять модели неограниченной пластины).

3. Определить коэффициенты температуропроводности материалов при использовании плоского импульсного теплового источника. С помощью пирометра измеряется температура в нескольких точках поверхности образца в различные моменты времени. Регистрируется время достижения максимума температуры в этих точках. Рассчитывается коэффициент а для каждой точки и среднее значение этого коэффициента.