WSTĘP KaŜde ciało o temperaturze powyŜej 0 K, tj. powyŜej

WSTĘP
KaŜde ciało o temperaturze powyŜej 00K, tj. powyŜej temperatury zera bezwzględnego
emituje promieniowanie cieplne, zwane teŜ temperaturowym, mające naturę fali
elektromagnetycznej. Na rysunku poniŜej przedstawiono zaleŜność natęŜenia promieniowania
io od długości fali λ dla róŜnych wartości temperatur powierzchni ciała emitującego
promieniowanie.
λ
Jest to graficzna ilustracja tzw. prawa Plancka, które moŜna zapisać następującym
równaniem:
gdzie:
c = 299 792 458 m/s - prędkość światła w próŜni,
h = 6,626176 • 10-34 Ws-2 - stała Plancka
k = 1,380662 • 10-23 Ws/K - stała Boltzmanna
Z przebiegów krzywych na powyŜszym rysunku wynika, Ŝe dla małych długości
i niskich temperatur natęŜenie promieniowania jest bardzo małe, takie, Ŝe dla temperatur
poniŜej 500°C w widzialnym zakresie jest niewidzialne, gdyŜ oko ludzkie juŜ nie reaguje na
to promieniowanie. Natomiast jest wykrywane przez receptory ciepła rozmieszczone na
powierzchni ciała ludzkiego. JeŜeli temperatura promieniującego ciała jest wyŜsza od 500°C,
to znaczna część promieniowania leŜy juŜ w zakresie widzialnym (A < 0,78 |im).
Zmianie temperatury obiektu towarzyszy zmiana intensywności tego promieniowania. Do
pomiaru „promieniowania termicznego" pirometry wykorzystują fale o długości w zakresie
między 1 a 20µm. Intensywność emitowanego promieniowania zaleŜy od rodzaju materiału.
Ta stała materiałowa jest opisana przy pomocy emisyjności, która jest znana dla większości
materiałów (zał.A) .
Pirometry są przyrządami optoelektronicznymi. Wyznaczają temperaturę powierzchni na podstawie emitowanej przez obiekt energii promieniowania. NajwaŜniejszą cechą pirometru jest
moŜliwość pomiaru bezkontaktowego. Pirometry zazwyczaj składają się z następujących
podstawowych elementów składowych:
• optyka
• filtr spektralny
• detektor
• elektronika (wzmacniacz / linearyzacja / przetwarzanie sygnału)
Parametry optyki określają ścieŜkę optyczną pirometru, która jest charakteryzowana za pomocą współczynnika zwanego rozdzielczością optyczną (odległość do rozmiaru pola
pomiarowego).
Filtr spektralny określa przedział długości fal, który jest istotny dla pomiaru temperatury.
Detektor
we
współpracy
z
elektroniką
przetwarzającą,
zamienia
promieniowanie
podczerwone w sygnał elektryczny.
NatęŜenie promieniowania podczerwonego, które jest emitowane przez kaŜde ciało,
zaleŜy (zgodnie z prawem Stefana-Bolzmanna) od temperatury tego ciała.
ZaleŜy takŜe od właściwości powierzchniowej materiału z którego jest ono wykonane.
Emisyjność (εε) jest uŜywana jako stała materiałowa opisująca zdolność ciała do emitowania
energii promieniowania. MoŜe przyjmować wartości w zakresie między 0 a 1.0. „Ciało
doskonale czarne" jest idealnym źródłem promieniowania o emisyjności wynoszącej 1,0
podczas gdy lustro wykazuje emisyjność na poziomie około 0,1.
Jeśli wybrana wartość emisyjności jest za duŜa, pirometr moŜe wyświetlać wartość
temperatury znacznie niŜszą niŜ wartość rzeczywista - zakładając, Ŝe obiekt mierzony jest
cieplejszy od otoczenia. Niska emisyjność (powierzchnie błyszczące) niesie ryzyko
niedokładnych wyników pomiaru z uwagi na interferencje promieniowania emitowanego
przez
obiekty
znajdujące
się
wokół
(płomienie,
systemy
grzewcze,
wykładziny
ognioodporne). Aby zminimalizować w takich przypadkach błędy pomiarowe, naleŜy bardzo
starannie posługiwać się przyrządem, który powinien być chroniony od źródeł
promieniowania odbitego.
METODY WYZNACZANIA NIEZNANEJ EMISYJNOŚCI
Metoda 1.
• Wyznaczamy temperaturę mierzonego obiektu za pomocą termopary lub innego czujnika
stykowego.
• Następnie mierzymy temperaturę obiektu przy pomocy pirometru modyfikując wartość
emisyjności do takiej wartości, aŜ wskazywana wartość temperatury będzie zgodna
z temperaturą rzeczywistą.
Pomiar temperatury obiektu przy pomocy termopary stykowej
Metoda 2.
• Pokrywamy część obiektu czarną farbą o emisyjności wynoszącej 0.95 - 0.98
• W przyrządzie ustawiamy emisyjność na poziomie 0.95
• Dokonujemy pomiaru temperatury w zamalowanym miejscu.
Następnie wyznaczając temperaturę sąsiadującej powierzchni obiektu ustawiamy taką wartość
emisyjności aby uzyskany rezultat był identyczny z temperaturą mierzoną w miejscu
zamalowanym.
Jeśli zastosowanie Ŝadnej z opisanych wcześniej metod nie jest moŜliwe w wyznaczeniu
emisyjności moŜna uŜyć wartości z tabeli (zał.A). Są to tylko wartości średnie. Rzeczywista
emisyjność materiału zaleŜy od następujących czynników:
• temperatury
• kąta pomiaru
• geometrii powierzchni
• grubości materiału
• stanu powierzchni (polerowana, utleniona, chropowata, piaskowana)
• zakresu spektralnego
• przepuszczalności (np. cienkich folii)
WYKONANIE OZNACZENIA
1. Metodą porównania temperatur określ emisyjność wskazanej przez prowadzącego
przegrody budowlanej,
2. Przy pomocy pirometru określ temperatury na wskazanym przez prowadzącego fragmencie
przegrody budowlanej (okno, ściana itp.)
3. Odczytywane temperatury naleŜy nanieść na wcześniej przygotowany szkic przegrody
wraz załoŜoną siatką pomiarową,
4. Naszkicuj izotermy (linie łączące punkty jednakowych temperatur) dla rozpatrywanego
przypadku.
Fragment okna z naniesioną siatką pomiarową.
Uwaga: Podczas posługiwania się pirometrem wyposaŜonym w celownik laserowy naleŜy
zachować ostroŜność. Nie naleŜy kierować wiązki lasera w stronę oczu, lustrzanych
powierzchni, innych osób. Nie przestrzeganie tych zasad moŜe spowodować trwałe
uszkodzenie wzroku !
SPRAWOZDANIE
-Sprawozdanie powinno zawierać szkic pola temperatur badanej przegrody.
- Wykres rozkładu temperatur wzdłuŜ wysokości
wskazanego przez prowadzącego
fragmentu ściany zewnętrznej w laboratorium.
- Omówienie wyników.
Załącznik A
Materiał
ε
T,°C
Aluminium chropowate
26
0,055
Aluminium polerowane
Brąz chropowaty
Brąz polerowany
Cegła czerwona
Cegła krzemionkowa matowa
Cegła szamotowa
Chromonikiel
Cynkowana blacha jasna
Gips
Cynkowana blacha utleniona
Farba aluminowa
Lakier biały
Lakier czarny błyszczący
Lakier czarny matowy
Lód gładki
Lód chropowaty
Marmur
Miedź polerowana
Miedź utleniona przy 600°C
Mosiądz utleniony przy 600°C
Nikiel polerowany
Nikiel utleniony przy 600°C
Papa
Papier
Sadza
Srebro polerowane
Stal nierdzewna
Węgiel czysty
Zaprawa wapienna chropowata
255-575
50-150
50
20
100
1100
125-1034
28
20
24
150-315
40-95
25
40-95
0
0
22
20-115
200-600
200-600
100-375
200-600
20
19
0-370
225-625
480-800
125-625
20-200
0,039-0,057
0,55
0,10
0,93
0,80
0,75
0,64-0,76
0,228
0,903
0,278
0,35
0,8-0,95
0,875
0,96-0,98
0,966
0,985
0,931
0,018-0,023
0,57-0,87
0,61-0,59
0,045-0,087
0,37-0,48
0,93
0,924
0,945
0,0198-0,0324
0,220-0,575
0,81-0,79
0,93