Модель абсолютно черного тела — в помощь студенту

В физике часто рассматривается модель, в которой тело находится в термодинамическом равновесии с собственным излучением. В этом случае принято говорить о «чёрном теле» и о «чернотельном излучении».

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Поле излучения внутри чёрного тела однозначно определяется его температурой. Исследование спектра чёрного тела явилось началом теории атома.

Хотя излучение чёрного тела в области малых частот может быть объяснено в рамках классической физики, его полный анализ можно провести только в рамках квантовой теории.

Это следует хотя бы из того, что в аналитические формулы, описывающие спектр чёрного тела, входит введённая Планком постоянная ħ. Строго говоря, в природе абсолютно чёрное тело в чистом виде не существует, но его моделью может служить замкнутая полость с малым отверстием (рис.2.1).

Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

Спектральную плотность излучения чёрного тела будем обозначать Uω. Её размерность — эрг/(см3·рад/с). Из соотношения

  • (1) ω = 2π 
  • между круговой ω и линейной  частотой следует, что Uω в 2π раз меньше плотности энергии U, рассчитанной на один герц:
  • U = 2π Uω.

В теоретических построениях часто пользуются величиной Uω, а в практических расчётах предпочитают U. Важную роль в приложениях играет интенсивность излучения, которую для случая чёрного тела принято обозначать Bω и B.

Результаты наблюдений часто рассчитываются на единицу длины волны , а не частоты. Соответствующая интенсивность обозначается B, а плотность энергии — U. Количество энергии в определённом спектральном интервале, конечно, не зависит от выбора шкалы, поэтому Uω, U и U связаны друг с другом соотношением

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Статья про математику - в помощь студенту

Оценим за полчаса!
  1. Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту .
  2. Диапазоны длин волн  и частот ω и  определяются функциональной зависимостью
  3. (3)  = с/ ,  = 2π ω,
  4. из которой следует
  5. Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту .

Следует обратить внимание на то, что спектральные интервалы равны модулям дифференциалов соответствующих переменных. Например, из (2.3) следует отрицательное значение производной d/d, в то время как  и ω существенно положительные величины.

Поле излучения внутри чёрного тела изотропно, поэтому его поток равен нулю. Тем не менее, существует специальная модель, в которой рассматривается не внутренняя область, а граница изотропного источника.

Излучение границы анизотропно и, следовательно, поток от неё отличен от нуля.

В рамках такой модели справедлив известный закон Стефана–Больцмана для полного, проинтегрированного по всему спектру потока излучения от чёрного тела: поток пропорционален четвёртой степени температуры.

2.1. Особенности спектра излучения

В этом разделе мы изложим основные результаты экспериментов, на которых основана теория излучения чёрного тела.

Формула Рэлея-Джинса

  • В диапазоне предельно малых частот,
  • Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту ,
  • именуемом областью Рэлея–Джинса, плотность энергии пропорциональна температуре Tи квадрату частоты ω:
  • Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

На рис.2.1.1 эта область помечена РД. Формула Рэлея-Джинса может быть выведена чисто

Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

классическим путём, без привлечения квантовых представлений. Чем выше температура чёрного тела, тем шире диапазон частот, в котором справедлива эта формула. Она объясняется в классической теории, но её нельзя распространять на высокие частоты (пунктирная линия на рис.2.1.1), так как просуммированная по спектру плотность энергии в этом случае бесконечно велика:

Эту особенность закона Рэлея-Джинса называют «ультрафиолетовой катастрофой».

Формула Вина

В диапазоне больших частот (область В на рис.2.1.1) справедлива формула Вина:

Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

Хорошо видно, что правая часть меняется немонотонно. Если частота не слишком велика, то преобладает множитель ω3 и функция Uωвозрастает. По мере увеличения частоты рост Uω замедляется, она проходит через максимум, а затем убывает за счёт экспоненциального множителя. Наличие максимума в спектре излучения отличает виновский диапазон от области Рэлея-Джинса.

Чем больше температура тела, тем выше граничная частота, начиная с которой выполняется формула Вина. Величина параметра a в экспоненте правой части зависит от выбора единиц, в которых измеряются температура и частота. Вывод формулы Вина требует привлечения квантовых представлений о природе света.

  1. Закон смещения Вина
  2. Обозначим ωmax частоту максимума функции Планка. Закон смещения Вина гласит, что она пропорциональна температуре, следовательно:

Константа в правой части зависит от выбора единиц частоты и температуры. Кроме того, она различна для функций B и B.

Закон Стефана-Больцмана

Закон Стефана-Больцмана заключается в том, что плотность энергии чёрнотельного излучения, проинтегрированная по всем частотам, пропорциональна четвёртой степени температуры:

Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

Он часто используется в астрономии при определении светимости звезды по её температуре. Для этого необходимо перейти от плотности излучения к наблюдаемой величине — потоку. Формула для интегрального по спектру потока излучения будет выведена в третьей главе.

2.2. Число осцилляторов в единице объёма

Попытаемся объяснить все приведённые выше экспериментальные факты. Для этого введём представление об осцилляторах, или о стоячих волнах внутри некоторой полости (например, как на рис.2.1).

Количество энергии излучения Uω dω определяется числом осцилляторов dNω в интервале частот (ω, ω + dω), в объеме V, при средней энергии одного осциллятора < E >:

Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

Перейдём к вычислению dNω и < E >.

Число осцилляторов

Подсчёт числа осцилляторов мы выполним по методу, предложенному Рэлеем и реализованному Джинсом. Число осцилляторов dNω равно количеству стоячих волн в рассматриваемом объеме. Подсчёт числа колебаний можно выполнить и в терминах длин волн

  • для интервала от  до  + d, но удобнее проводить его в шкале волновых чисел

для интервала от k до k + dk. Рассмотрим волны в кубе LLL. Введём волновой вектор k проекции которого на оси координат равны kx, ky, kz. Внутри рассматриваемого объёма по каждому направлению должно укладываться целое число волн:

где Nx, Ny и Nz — целые положительные числа. Совокупность таких значений kx, ky, kz обеспечивает наличие узлов на гранях куба. Модуль k волнового вектора выражается через его проекции, как модуль любого вектора:

Для нахождения числа осцилляторов удобно воспользоваться простым геометрическим приёмом. Выберем Nx, Ny и Nz из формулы (2.4) за координатные оси в воображаемом пространстве чисел. На рис. 2.1 изображена часть этого пространства. Каждой тройке чисел Nx, Ny и Nz на этом рисунке отвечает точка. Введём величину

Если числа Nx, Ny и Nz достаточно велики, то их функция N будет меняться почти непрерывно и на рис.(2.1) изобразится радиус-вектором. Согласно (2.4–6), модуль волнового вектора однозначно выражается через N:

  1. Отсюда следует, что число волн с модулем волнового вектора, лежащим в интервале от k до k + dk, равно числу чисел N в интервале от N до N + dN. Последнее равно числу точек, попадающих в шаровой слой между сферами радиусом N и N + dN, а именно,
  2. Таким образом, число волн, или число осцилляторов с величиной волнового числа между k и k + dk и с определённым направлением поляризации в объёме V = L3 равно

Последнее равенство справа получилось после дифференцирования (2.7). Нам осталось умножить полученное выражение на 2 — число независимых направлений поляризации излучения, и, воспользовавшись формулой (2.3), перейти к шкале частот:

В силу большой важности (2.8), приведём другой его вывод, основанный на формуле (2.3) первой главы

для числа квантовых состояний dN в элементе фазового объёма d.

Проинтегрировав последнюю формулу по всем пространственным координатам, получим, что число квантов в объёме V и в элементе dpx dpy dpz пространства импульсов равно V dpx dpy dpz /h3. Теперь перейдём к сферическим координатам в пространстве импульсов

  • dpxdpydpz = p2 dp sin dd
  • и проинтегрируем по угловым переменным:
  • Итак, в пространстве импульсов объём шарового слоя радиусом p и толщиной dp равен 4πpdp. С помощью формулы pω/cперейдём от интервала импульсов фотона к диапазону частот излучения:
  • откуда следует выражение для числа квантов в объёме V и в интервале частот dω с заданным направлением поляризации:

Если теперь учесть наличие у фотона двух независимых поляризаций, то снова получится формула (2.8). Примечательно, что она не содержит постоянной Планка. Это обстоятельство служит указанием на то, что она может быть получена в рамках классического рассмотрения.

Теперь вычислим среднюю энергию осциллятора. Рассмотрим последовательно случаи классического и квантового осцилляторов

2.3 Средняя энергия классического осциллятора

  1. Энергия одномерного осциллятора выражается через импульс p и координату q:
  2. В классической статистике равновесное распределение частиц (в данном случае осцилляторов) по энергиям определяется формулой
  3. Поэтому средняя энергия равна
  4. Введем обозначения
  5. тогда
  6. В последнем интеграле переменные P и Q разделяются. После сокращения общих множителей в числителе и знаменателе приходим к формуле
  7. Интегралы в числителе и знаменателе обоих слагаемых могут быть приведены к виду

Источник: https://studizba.com/files/show/doc/221483-1-glava-02-izluchenie-absolyutno-chernogo.html

Модели АЧТ

Как связаны абсолютно чёрное тело и тепловизор? Абсолютно чёрное тело — это объект, который поглощает всё направленное на него э/м излучение и ничего не отражает.

Не стоит опираться на само название, чтобы определить цвет тела. Оно испускает широкий диапазон э/м волн. Из-за их различных параметров тело может оказаться не чёрного цвета, а золотистого, алого и других цветов.

Название этому объекту в 1862 году дал Г. Кирхгоф.

Абсолютно чёрное тело используют при таких задачах, как калибровка и поверка пирометров, тепловизоров, ИК-камер, калибровка спектральных радиометров и спектрографических анализаторов.

Тепловое излучение тел является одним из источников информации о температуре этих тел и может быть использовано для его измерения. Раздел температурных измерений, который изучает методы и средства измерения температуры тел по их тепловому излучению, называется пирометрия.

Приборы, измеряющие температуру бесконтактным методом по тепловому излучению, называются пирометрами и тепловизорами.По принципу измерения пирометры бывают: монохроматические, полного излучения, частичного излучения и спектрального отношения.

Градуировка монохроматических пирометров, а в некоторых случаях и пирометров спектрального отношения может проводиться по температурным лампам, а остальных типов пирометров и тепловизоров по моделям абсолютно черных тел (АЧТ), причем таких пирометров, выпускаемых в настоящее время, абсолютное большинство.

Поэтому применение моделей АЧТ для градуировки пирометров и тепловизоров является актуальным. По конфигурации полости модели АЧТ могут быть сферическими, цилиндрическими, коническими Температурный диапазон моделей АЧТ очень широк — от минус 50?С до плюс 2500?С.

От температурного диапазона зависит размер выходного отверстия излучателя (определяется показателем визирования градуируемых пирометров), а также способ нагрева (или охлаждения) модели АЧТ.

Такие модели АЧТ выпускает компания «МЕТРОПИР» по заказам. Все эти модели снабжены высокоточными регуляторами температуры и различными устройствами для автоматизации измерений.

Читайте также:  Учет затрат на содержание объектов непроизводственной сферы - в помощь студенту
Диапазон рабочих температур Оптимальная апертура (диаметр поля зрения) Способ нагрева/охлаждения
  • Название АЧТ,
  • производимого
  • «МЕТРОПИР».
от — 30?С до 80?С ?70..100 мм на элементах Пельтье ОИ АЧТ «Деметра», «Деметра-М»
от 50 до 500?С ?60..70 мм печи сопротивления с полостью из Al сплавов с покрытием ОИ АЧТ «Медея»
100?С до 1200?С ?40..50 мм печи сопротивления (в т.ч. на тепловой трубе) ОИ АЧТ «Электра», «Электра+»
800?С до 1500?С ? 25..30 мм нагреватели на электропроводной керамике ОИ АЧТ «Гелиос»

Схема расположения конструктивных элементов излучателя, в зависимости от его модификации, представлена на рисунках 1- 5:

Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

  1. Рисунок 1 — Схема расположения конструктивных элементов ОИ АЧТ «Деметра» и ОИ АЧТ «Деметра-М»
  2. 1- радиаторы; 2 — термоэлектрические модули; 3 — коническое дно;
  3. 4 — металлический стакан; 5 — чувствительный элемент; 6 — теплоизоляция; 7- корпус

Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

  • Рисунок 2 — Схема расположения конструктивных элементов ОИ АЧТ «Медея»
  • 1- теплоизоляция; 2 — нагреватель; 3 — металлическая труба;
  • 4 — дно полости излучателя; 5 — чувствительный элемент; 6 – корпус

Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

Рисунок 3 — Схема расположения конструктивных элементов ОИ АЧТ «Электра» и «Электра+»

1 — теплоизоляция; 2 — нагреватель; 3 — труба; 4 — коническое дно; 5 — чувствительный элемент; 6 — металлический стакан; 7- корпус

Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

Рисунок 4 — Схема расположения конструктивных элементов ОИ АЧТ «Гелиос»

1 — токоподводы нагревателя; 2 — металлокерамический нагреватель; 3 — чувствительный элемент; 4 — жаростойкая изоляция; 5 — корпус; 6 — дно полости излучателя

Принцип действия излучателя ОИ АЧТ 50/1500 основан на формировании в полости (на излучающей поверхности) нормированного теплового потока в соответствии с законами излучения Планка и Стефана-Больцмана.

Температура внутри полости излучателя формируется посредством нагрева (охлаждения) при пропускании электрического тока через исполнительный элемент, в качестве которого выступает, в зависимости от модификации, нагревательный резистивный элемент или комплект двухкаскадных термоэлектрических модулей.

Измерение текущей температуры осуществляется посредством контактного датчика температуры. В таблице 6 приведены типы применяемых датчиков температуры:

Таблица 6 — Типы датчиков

Модификация Датчик температуры
ОИ АЧТ «Деметра» Термометр сопротивления ЭЧП-001
ОИ АЧТ «Деметра-М»
ОИ АЧТ «Медея» Эталонный термометр сопротивления ЭТС-100
ОИ АЧТ «Электра» Термоэлектрический преобразователь гр. ППО (S)
ОИ АЧТ «Электра+»
ОИ АЧТ «Гелиос» Термоэлектрический преобразователь гр. ПР 30/6 (B)

В модификациях ОИ АЧТ «Деметра» и ОИ АЧТ «Деметра-М» для задания и поддержания необходимой температуры теплоносителя применен серийно выпускаемый охладитель воды.

В конструкцию излучателя дополнительно включена помпа, которая предназначена для обеспечения циркуляции теплоносителя в системе охлаждения излучателя и индикатор движения жидкости (ИДЖ), информирующий оператора о циркуляции теплоносителя и работоспособности помпы.

Задание температуры теплоносителя осуществляется путем нажатия кнопок для повышения и понижения значения уставки температуры воды, расположенных на передней панели охладителя воды. Там же расположена кнопка «SET» для просмотра и изменения уставки температуры воды.

Значение текущей температуры теплоносителя индицируется на дисплее. Более подробно конструкция и работа охладителя воды описана в соответствующем руководстве по эксплуатации.

Источник: https://metropir.ru/modeli-acht.html

ПОИСК

    Модели абсолютно черного тела— это специальные устройства, излучение которых в необходимом [c.187]

    Рис, 2. 1. Трубчатая модель абсолютно черного тела  [c.45]

    Модели абсолютно черного тела [c.45]

    Модели абсолютно черного тела необходимы для градуировки [c.188]

    Моделью абсолютно черного тела обычно служит полость, хорошо изолированная стенками из непрозрачного материала с небольшим отверстием в одной из стенок.

Например, часто используют длинную трубку, которую нагревают электрическим током, пропуская его по намотанной на трубку проволоке. Излучение можно наблюдать через маленькое отверстие в одной из стенок.

Если эта трубка поддерживается при постоянной температуре, то источник излучения называют изотермическим. [c.18]

    Приближенной моделью абсолютно черного тела может служить малое отверстие в оболочке полого тела. Это отверстие, попадая в которое лучистый поток почти полностью поглощается вследствие много- [c.88]

    Источником теплоты в трубчатой модели абсолютно черного тела (см. рис. 5.10), намотанного на изолятор И, является спираль электронагревателя ЭН, смонтированного в кожухе К. [c.187]

    Модель абсолютно черного тела с использованием полости ПЛ (рис. 5.11) нагревается обтекающей ее жидкостью Ж. Нагрев жидкости может производиться как электронагревателем ЭН, так и с помощью нагретой жидкости или газа.

Сосуд с нагретой жидкостью СН отделен теплоизоляцией ТИ от стенок кожуха К. Материал полости ПЛ может быть различным (металл, графит, огнеупорный фарфор) в зависимости от диапазона температур и вещества жидкости.

Температуру излучающей полости в этом случае можно измерять термометром ТМ любого вида. [c.188]

    Модель абсолютно черного тела — это малое отверстие в полой сфере, обладающее свойствами, приближающимися к свойствам абсолютно черного тела. [c.87]

    Приближенной моделью абсолютно черного тела может являться коническая или клиновидная полость с полированными стенками (рис. 2.3). Здесь луч 1—7, испускаемый полостью, характери- [c.46]

    Градуировка заключается в определении цены деления шкалы гальванометра или цены 1 мм высоты осциллограммы в лк или Вт/м . В качестве эталонных источников видимого излучения применяют светоизмерительные лампы, в качестве эталонов инфракрасного излучения — различные модели абсолютного черного тела.

В последнее время созданы высокотемпературные эталоны абсолютного черного тела (3000° К), поскольку этот режим является наиболее характерным для большинства пиротехнических ИК-излучателей. Применение при градуировке подобного эталона позволяет исключить радиометрическую ошибку, связанную с тарировкой при низких температурах.

[c.162]

Рис. 2. 3. Схема модели абсолютно черного тела с коническим или клиновидным излучателем Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

    Большое количество экспериментальных работ, выполненных с моделью абсолютно черного тела в середине и конце прошлого столетия, привели к выводу, что должно существовать математическое уравнение, представляющее зависимость излучения абсолютно черного тела по спектру в виде функции = (К Т). Первую попытку определить теоретически вид этой функции сделал русский физик В. А. Михельсон в 1 886 г. Однако выведенная им формула оказалась неточной. [c.23]

    Высокотемпер а т у р н о й моделью абсолютно черного тела могут служить металлические трубки с малым отверстием, нагреваемые пропусканием электрического тока.

Примером такого тела, работающего до температур выше 3000° К, может быть модель, показанная на рис. 2. 6. Источником излучения здесь является вольфрамовая трубка диаметром 3 мм с излучающим отверстием около 0,7 мм.

Излучатель смонтирован в стеклянном баллоне с окном из флюорита (СаРг). [c.48]

    Абсолютно черных тел, как уже указывалось в разд. 1.3, в природе не существует. Однако можно выполнить различные модели, излучение которых с достаточной для практических целей точностью приближается к излучению абсолютно черного тела.

Такие модели абсолютно черного тела используют как стандартные источники излучения. Они могут найти самое различное применение, например для градуировки приемников ИК-излучения, определения чувствительности приборов ИК-техники, градуировки приборов ИК-спектроскопии и т.

д. [c.45]

    Хуже обстоят дела в области неконтактной термометрии. Отечественная промышленность не выпускает модели абсолютно черных тел , прекращен выпуск температурных ламп, предназначенных для поверки пирометров полного и частичного излучения. Не решены вопросы по методикам поверки сканирующих пирометров-тепловизоров. [c.167]

    В августе 2001 г на Международной специализированной выставке Эталон-2001 , проходившей на ВДНХ в г.

Москве, завод награжден большой золотой медалью Гарантия качества и безопасности в номинации Контроль качества и безопасность за изделия АРМ ПТС (автоматизированное рабочее место поверки термометров сопротивления), портативный пирометр ПП-1 и АЧТ-45/100/1100 (рис. 7) модель абсолютно черного тела). [c.168]

    На практике в качестве моделей абсолютно черного тела используют различные печи, обеспечивающие достаточно равномерный прогрев оболочки полости черного излучателя.

Чаще всего применяют трубчатые печи с металлической или огнеупорной керамической оболочкой, на наружной поверхности которой располагают обмотки для электрического обогрева полости.

Примером трубчатой модели абсолютно черного тела может служить конструкция, показанная на рис. 2.1. [c.45]

    Диафрагмы в оболочке трубчатой модели абсолютно черного тела должны устанавливаться так, чтобы излучение тела исходило из зоны с наиболее однородной температурой и пучок лучей, по которому измеряется излучение тела, на своем пути нигде не пересекал бы диафрагм. [c.45]

    Большую равномерность температуры излучающей оболочки можно достичь в моделях абсолютно черных тел, выполненных по методу бани. Схемы таких моделей с горизонтальным и вертикальным расположением излучающего отверстия показаны на рис. 2. 2. [c.45]

Рис. 1. Схемы испарительных ячеек и моделей абсолютно черных тел Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

    Физической моделью абсолютно черного тела является малое отверстие в полой изотермической сфере. Проникающее через него излучение многократно отражается на стенках полости и практически полностью ими поглощается. Так же излучение, возникающее внутри равномерно нагретой сферы, выходит из отверстия соответственно закону Планка. [c.15]

Рис. 2.2. Модели абсолютно черного тела по методу бани со сферическим излучателем Модель абсолютно черного тела - в помощь студенту

    Сухой воздух, одно- и двухатомные газы (при температуре ниже 2500—3000 К) можно с хорошим приближением рассматривать как диатермичные среды ( ) 1). Моделью абсолютно черного тела слухшт малое отверстие, ведущее в большую закрытую полость. Любой луч, прошедший внутрь полости, после многократных отражений и частичных поглощений на стенках практически полностью поглощается и назад не выходит (Л 1). Большинство конструкционных твердых тел (металлы, сплавы, теплоизоляционные материалы) и ряд жидкостей (спирты, вода) для тепловых лучей при заметных толщинах слоя вещества практически непрозрачны (D 0). При этом [c.192]

    Для того чтобы судить, насколько совершенна та или иная модель абсолютно черного тела, следует измерить спектральное распределение интенсивности излучения этой модели и затем сравнить его с расчетными данными, полученными по формуле Планка.

Ориентировочную оценку степени черноты модели абсолютно черного тела Б узком спектральном участке можно получить, измерив яркостную или цветовую температуру модели [см. формулы (1.45) и (1.

46)] и затем сравнив ее с истинной температурой модели абсолютно черного тела, измеренной с помощью термопары. [c.49]

    Обратимся к рисункам, на которых схематически изображены ячейка Лангмюра (рис. 1,а), ячейка Кнудсена (рпс. 1,6), обсуждаемая ячейка (рис. 1,е), модель абсолютно черного тела в виде сферической полости (рис. 1,г) и модель черного тела в виде цилиндрической полости (рис. 1,0), которая является черным телом при определенном отношении L/D 115]. [c.322]

    Абсолютно черное тело. Кирхгофом впервые введено понятие абсолютно черного тела, которое ничего не отражает и не пропускает через себя, а полностью поглощает все падающее на него излучение независимо от его направления, спектрального состава и поляризации. Моделью абсолютно черного тела может служить маленькое отверстие в стенке замкнутой полости.

Излучение, заполняющее эту полость, при условии, что температура стенки полости постоянная, является равновесным тепловым излучением. Следовательно, равновесное тепловое излучение — это излучение абсолютно черного тела.

Излучение, выходящее из маленького отверстия в стенке полости (маленького потому, чтобы выход излучения не нарущил равновесия), представляет собой излучение абсолютно черного тела. [c.425]

    На очередном заседании температурной комиссии Госстандарта России, проходившем в Омске в октябре 2000 г., был одобрен план на период 2005 года метрологического обеспечения средств измерения температуры, в основе которого стоят серийно выпускаемые и разрабатываемые ОАО НПП Эталон изделия.

Особое место в этом плане занимают эталонные термоэлектрические термометры новой градуировочной характеристики (платино-палладий), и термопреобразователи сопротивления автоматизированное рабочее место для поверки технических термометров сопротивления и термопар термостаты и криостаты (рис.

6) различных конструкций и назначения, в том числе калибраторы температуры приборы и оборудование для неконтактной термометрии-пирометры, тепловизоры и средства их поверки — модели абсолютно черных тел , и эталонные пирометры, приборы и оборудование для определения теплопроводности материалов и конструкций вторичные приборы различного назначения на базе разработанного прецизионного вольтметра В2-99, и тд. (дипломант конкурса Лучший отечественный измерительный прибор 2002 года ). [c.169]

    В мае 2001 года на заводе завершены государственные испытания с целью утверждения типа двух пирометров, включая аттестацию их метрологического обеспечения — моделей абсолютно-черных тел . Готовятся к государственным испытаниям сканирующий и кадровый пирометры. [c.169]

    Термовизор обычно комплектуется различными приспособлениями и устройствами, увеличивающими его возможности и создающими дополнительные удобства.

Основные из них объективы с различным углом обзора и спектральными характеристиками, светофильтры, передвижные зеркала, набор принадлежностей для фотографирования, блоки для получения температурных профилей (блок выделения строки) и разных видов изображений, дополнительные черно-белые или цветные индикаторы, магнитофон, блоки цифровой обработки и индикации, модель абсолютно черного тела, комплект приспособлений для заправки холодильника жидким азотом и др. [c.204]

    В природе не существует тел, имеющих свойства абсолютно черного тела для всех длин волны. Даже такие черные на вид поверхности, как покрытые слоем сажи или платиновой черни, имеют поглощательную способность ах, близкую Рис. 1. ю.

Схема к единице лищь в ограниченном спектральном абсолютно черного диапазоне в длинноволновой инфракрасной области спектра их поглощательная способность становится заметно меньше единицы. Можно, однако, искусственно создать модель абсолютно черного тела с очень высокой степенью приближения.

Такой моделью может быть замкнутая нагреваемая полость с непрозрачными стенками, внутренняя поверхность которых обладает хорошой поглощательной способностью. В полости проделывают отверстие, очень малое по сравнению с ее размерами (рис. 1.10).

Поток лучистой энергии, попавший через отверстие внутрь полости, испытывает внутри нее большое число отражений [c.19]

    Абсолютно черным называется тело, которое полностью поглощает все падающие на него лучи [см. (15.1.14)]. В природе таких тел не существует, однако различные тела в той или иной мере могут по срорй поглощательной способности приближаться к абсолютно черному телу.

Физической моделью абсолютно черного тела является большая равномерно нагретая полость с малым выходным отверстием. Абсолютно черное тело обладает наибольшей излучательной способностью по сравнению с любым реальным телом, находящимся при одинаковой с ним температуре. [c.

241]

Источник: https://www.chem21.info/info/279854/

Абсолютно черное тело (АЧТ). Виды и значение. Применение

Абсолютно черное тело (АЧТ) – это понятие, относящееся к теории теплового излучения. Оно обозначает тело, имеющее свойство полностью поглощать любое попадающее на его поверхность электромагнитное излучение вне зависимости от длины волны и температуры собственной поверхности.

Поглощающий коэффициент такого тела равен 1. Коэффициент отображает отношение поглощаемой энергии к энергии падающего потока. Для него характерно наличие собственного электромагнитного излучения любой частоты. Спектры его излучения способны определятся только в температурном выражении.

Читайте также:  Принтер - в помощь студенту

Абсолютно черное тело в природе

Стоит отметить, что понятие абсолютного черного тела является абстрактным, поскольку не существует ни одного предмета или явления, способного поглощать электромагнитное излучение, имея при этом коэффициент равный 1. Находящиеся в космосе черные дыры не принимаются во внимание, поскольку невозможно проконтролировать их температуру, чтобы высчитать уровень излучения и фактический коэффициент, если он вообще имеется.

Коэффициент поглощения на уровне 1 это идеал, которого не существует. Тем не менее, есть вещества, которые очень близки к данному результату. В первую очередь к ним относится сажа и платиновая чернь.

Поверхность сажи способна поглощать до 99% падающего излучения. Такой показатель достигается только при работе с видимыми волнами.

При попадании инфракрасных волн излучение осуществляется значительно лучше, поэтому сажа теряет свою приближенность к абсолютному черному телу.

Из космических тел солнечной системы практически свойствами АЧТ обладает Солнце. Дело в том, что его излучение происходит с длиной волны 450 нм, при фактической температуре наружных слоев в 6000 К. Это фактически имеет близкий результат к коэффициенту 1.

Абсолютно черное тело — это одна из главных причина появления такого понятия, а в последующем и дисциплины как квантовая механика. Также абсолютно черное тело актуально в термодинамике, астрономии и теории теплового излучения.

Макет АЧТ

Чтобы визуально продемонстрировать принцип работы абсолютного черного тела применяется несложная в изготовлении модель. Ее можно сделать даже самостоятельно используя недорогое подручное оборудование. Для этого необходимо взять непрозрачный ящик. В качестве него может использоваться картонная коробка от обуви или различных продуктов питания.

Одну из ее боковых стенок необходимо покрасить в черный цвет или наклеить плотную черную бумагу. Чем она темнее, тем лучше. В центре оклеенной стенки делается сквозное отверстие.

Теперь, если смотреть на данную коробку, когда она находится в закрытом состоянии, можно увидеть, что проделанное отверстие намного чернее, чем черная бумага оклеенная вокруг него.

Поскольку отверстие в коробке небольшое, то тонкий пучок света, попадающий в ее полость, многократно отображается от стенок. Как следствие волна медленно затухает. Если она и сможет отобразиться таким образом, чтобы выйти обратно в отверстие, через которое попала, то претерпит настолько сильное изменения, что фактический не будет заметной.

В лабораторных условиях применяются более сложные макеты, сделанные из термостойкого материала. При таком макете возможно проводить его нагрев, что приведет к появлению собственного видимого излучения. Это расширяет диапазон экспериментов.

Самый черный материал в мире

По принципу абсолютного черного тела был разработан материал под названием Vantablack 2, который не поддается измерению спектрометром.

Он был получен в 2014 году и является самым темным предметом известным человеку. Он состоит из миниатюрных нанотрубок. Попадающий в их отверстия свет обратно практически не возвращается.

Коэффициент их отражения насколько низок, что составляет всего 0,036%.

При исследовании данного материала можно увидеть множество интересных свойств. К примеру, если навести на такое абсолютно черное тело лазерную указку, то она вообще не отображается. Лазерная точка не видна на поверхности, в результате чего создается впечатление, что указка не включена. То же самое касается и любого другого светового оборудования.

Если из этого материала сделать объемную вещь, то при взгляде прямо она всегда выглядит как плоское пятно, поскольку контуры выступов совершенно не просматриваются. Существует несколько предметов искусства, сделанные современными художниками с применением материала Vantablack 2.

Для изготовления данного материала применяются нанотрубки, толщина которых составляет всего 20 нанометров. Это действительно мало, даже в сравнении с человеческим волосом. Фактически такая трубка в 3500 раз тоньше волоса. Один квадратный сантиметр поверхности такого материала состоит из миллиарда нанотрубок.

Принцип действия такого черного тела можно сравнить с лесными деревьями. Посещая лес или парк где имеются деревья высотой в 20 м можно заметить, что солнечный свет практически не достигает поверхности земли. Чтобы провести аналогию с Vantablack 2 нужно, чтобы высота таких деревьев составляла 3000 м, что и позволит достигнуть того эффекта, который создается между стенками нанотрубок.

Перспективные направления использования АЧТ

Любое вещество, работающее как абсолютно черное тело, приобретает весьма ценные свойства. Они поглощают спектр видимого света, ультрафиолета, инфракрасного излучения и так далее. Это весьма перспективное направление развития военной техники, которая при обладании такими свойствами могла бы стать невидимой для технического обнаружения.

Что касается научного применения, то абсолютно черные тела могут использоваться для калибровки оптического оборудования. Существуют установки, которые работает по принципу рассмотренному на примере коробки с отверстием. С их помощью осуществляется проверка и настройка работы бесконтактного термометра.

Подобные приборы используются в качестве эталона, применяемого при измерении высоких температур с помощью пирометров.

Закон Стефана — Больцмана

Поскольку для абсолютно черного тела характерна невозможность фиксации излучения с применением технического оборудования, то для этого применяется закон Стефана-Больцмана.

Это интегральный закон позволяющий определять зависимость плотности мощности излучения от температуры АЧТ. Словесная форма закона звучит следующим образом.

Полная объемная плотность равновесного излучения и испускательная способность пропорциональны четвертой степени температуры абсолютно черного тела.

Свое название закон получил от имен двух ученых. Изначально он был открыт Стефаном в 1879 году. Однако его теоретическая составляющая не была закончена. Именно эту часть закона и вывел Больцман.

Приборы АЧТ

В продаже предлагается устройство абсолютно черное тело, которое является эталонным излучателем для проведения поверки пирометров.

Они позволяют контролировать точность в диапазоне от +100 до +1100 градусов. Также существуют и более совершенные устройства с увеличенным диапазоном излучение, но их стоимость на порядок выше.

Такие установки состоят из трубчатой печи, блока управления и эталонного преобразователя.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/absoliutno-chernoe-telo/

Источники излучения в виде моделей черного тела М300

Источники излучения в виде моделей черного тела серии М300 (далее — МЧТ) предназначены для поверки и калибровки средств бесконтактного измерения температуры (тепловизоров, радиометров, пирометров и других приборов инфракрасного излучения) в диапазоне температур от 0 °С до 3000 °С.

Описание

  • Принцип действия МЧТ заключается в практической реализации законов излучения Стефана-Больцмана и Планка, связывающих температуру черного тела с мощностью его излучения.
  • Основными элементами МЧТ являются излучатель с известной излучательной способностью излучающей поверхности, окруженная системой радиационных экранов, диафрагма, один или несколько датчиков измерения температуры излучателя, и система регулировки и стабилизации температуры излучателя.
  • Источники излучения в виде моделей черного тела серии М300 имеют следующие модификации, отличающиеся типом излучателя:
  • —    М390, М335 и М330, где в качестве излучателя используется графитовая трубка со спиралевидным нагревателем;
  • —    М315НТ, М315Х, М310НТ и М340, где в качестве излучателя используется круглая или квадратная пластина с распределенным нагревателем;
  • —    М345Х, М315Х-НТ, где излучатель выполнен в виде пластины с термоэлементом Пельтье;
  • —    М345Х-ЬС, где излучатель выполнен в виде пластины со встроенным змеевиком для прокачки хладоагента от жидкостного термостата;
  • —    М305, М300 и М360, где в качестве излучателя используется сферическая полость с электронагревателем, вмонтированным в корпус сферы.

В моделях источников излучения М300, М390, М335, М305, М340 и М310НТ излучатель и электронный терморегулятор конструктивно выполнены в одном корпусе. Регулировка и стабилизация температуры в моделях источников излучения М360, М345Х, М315НТ, М315Х обеспечивается электронным терморегулятором (контроллером), конструктивно выполненным в виде отдельного электронного блока. В моделе черного тела М345Х-ЬС регулировка и стабилизация температуры МЧТ обеспечивается с помощью жидкостного термостата.

  1. Модели источников излучения М315Х, М315Х-НТ, М345Х и M345X-LC имеют по 4 конфигурации отличающиеся размером выходной апертуры и излучателя.
  2. Модель источников излучения М390 имеет 4 конфигурации отличающиеся диапазоном воспроизведения температур.
  3. Внешний вид и схемы маркировки и пломбирования МЧТ представлены на рисунках 19.
  4. мест няне
  5. 'Места пломбирования Рисунок 1 — Общий вид моделей черного тела серии
  6. М300 (модель М300) с указанием мест нанесения маркировки и пломбирования
  7. N Места нанесения маркировки
  8. Места нанесения маркировки
  9. Рисунок 5 — Общий вид моделей черного тела серии М300 (модели М315Х, M315X-HT) с указанием мест нанесения маркировки и пломбирования
  10. Место нанесения маркировки
  11. Рисунок 6 — Общий вид моделей черного тела серии М300 (модель М330) с указанием мест нанесения маркировки и пломбирования
  12. Места нанесения маркировки
  13. Рисунок 9 — Общий вид моделей черного тела серии М300 (модель М390) с указанием места нанесения маркировки

Программное обеспечение

Лист № 5 Всего листов 9

Управление МЧТ осуществляется с помощью программного обеспечения iTools встроенного микропроцессора (в случае моделей М300, М305, М335, М340, М310НТ, М330 и М390) или отдельного контроллера (в случае моделей М315, М315Х, М315Х-НТ, М345Х, М345Х-ЬС и М360). ПО позволяет установить заданную температуру черного тела и обеспечить ее стабилизацию за счет управления PID регулятором.

Программное обеспечение (ПО) имеет следующие идентификационные данные:

Таблица 1

  • Идентификационное
  • наименование
  • программного
  • обеспечения
Номер версии (идентификационный номер) программного обеспечения Цифровой идентификатор программного обеспечения (контрольная сумма исполняемого кода)
  1. Алгоритм
  2. вычисления
  3. цифрового
  4. идентификатора
  5. программного
  6. обеспечения
iTools 8.02.0 и выше

Операционная система, имеющая оболочку доступную пользователю, отсутствует. Программное обеспечение и его окружение являются неизменными, средства для программирования или изменения метрологически значимых функций отсутствуют. Доступ пользователя к встроенному программному обеспечению исключен конструктивным исполнением прибора.

  • Установка обновленных версий ПО допускается только представителями предприятия
  • — изготовителя с помощью специального оборудования.
  • Уровень защиты программного обеспечения МЧТ от непреднамеренных и преднамеренных изменений соответствует уровню «А».

Технические характеристики

Метрологические и технические характеристики источников излучения в виде моделей черного тела серии М300 приведены в таблице 2.

Модель Диапазон воспроизводимых температур, °С Доверительные границы относительной погрешности воспроизведения температуры, %.1 °С Доверительные границы абсолютной погрешности воспроизведения температуры, °C
  1. Диаметр
  2. апертуры,
  3. мм
Потребляемая мощность, кВт Электропитание осуществляется от сети переменного тока Габариты, В x Ш x Г мм, не более* Масса, кг, не более**
M300 200 — 1150 ±0,25 51 2 с напряжением 220В ±10% частотой 50Гц 640 x 500 x 550 80
M305 100 — 1000 ±0,2 25 1 270 x 430 x 370 25
M310HT (t окр.ср .+5) — 450 ±0,25 76 0,6 178 x 279 x 178 5,6
M315HT
  • 5)
  • + . о
  • о
  • О
  • (t
±0,25 76 0,6
  1. Излучатель:
  2. 178x279x178
  3. Контроллер:
  4. 178x279x178
  • Излучатель:
  • 4,9
  • Контролер:
  • 3,2
M315X Конфиг. 1 Конфиг. 2 Конфиг.3 Конфиг. 4 (t окр.ср .+5) — 400 ±1,3
  1. 101×101
  2. 152×152
  3. 203×203
  4. 305×305
  • ,5
  • 4,
  • 1
  • ,5
  • 0,
Излучатель: 510 x 660 x 585 Контроллер: 167x280x280
  1. Излучатель:
  2. 70
  3. Контроллер:
  4. 3,2
M315X-HT Конфиг. 1 Конфиг. 2 Конфиг. 3 Конфиг. 4 (t окр.ср .+5) -600 ±1,3
  • 101×101
  • 152×152
  • 203×203
  • 305×305
  1. ,5
  2. 4,
  3. 1
  4. ,5
  5. 0,
Излучатель: 510 x 660 x 585 Контроллер: 167x280x280
  • Излучатель:
  • 70
  • Контролер:
  • 3,2
M330 300 — 1700 ±0,25 25 3 640 x 500 x 550 80
M335 300 — 1500 ±0,4 16.5 3 290 x 495 x 550 28
M340 Заявленный: -20 — 150 ±1 51 0,3 167 x 280 x 280 7,1

Подтвержда

емый:

0 — 150
M345X Конфиг. 1 Конфиг. 2 Конфиг. 3 Конфиг. 4 0 — 170 0 — 170 0 — 170 0 — 150 ±1
  1. 101×101
  2. 152×152
  3. 203×203
  4. 305×305
0,115 — 1,2 Излучатель: 400x400x356 Контроллер: 178 x 483 x 593
  • Излучатель:
  • 24
  • Контролер:
  • 3,2
M345X-LC Конфиг. 1 Конфиг. 2 Конфиг. 3 Конфиг. 4 Заявленный: -40 — 100 Подтверждаемый: 0 — 100 ±1
  1. 101×101
  2. 152×152
  3. 203×203
  4. 305×305
0,115 — 1,2 Излучатель: 267 x 254 x 203 Контроллер: 178x 483 x 593 Термостат: 600x320x530
  • Излучатель:
  • 24
  • Контролер:
  • 3,2
  • Термостат: 65
M360 50 — 1100 ±0,2 25 1,6
  1. Излучатель:
  2. 305x273x368
  3. Контроллер:
  4. 167x280x280
  • Излучатель:
  • 17,8
  • Контролер:
  • 5,0
M390 Конфиг. 1 Конфиг. 2 Конфиг. 3 Конфиг. 4 600 — 2300 600 — 2600 600 — 3000 300 — 2000 ±0,25 25 15 1710 x 560 x 820 182
* — габаритные размеры могут варьироваться в зависимости от конфигурации МЧТ
** — масса может варьироваться в зависимости от конфигурации МЧТ
  1. Условия эксплуатации:
  2. —    температура окружающей среды: 15 — 30 °С
  3. —    относительная влажность: не более 75%
  4. —    атмосферное давление: 96 — 104 кПа

Знак утверждения типа

наносится типографским способом на титульный лист Руководства по эксплуатации и на корпус прибора методом наклеивания.

Комплектность

Комплектность МЧТ представлена в таблице 3. Таблица 3

Наименование Количество, шт
Источник излучения в виде модели черного тела серии М300 1
Комплект аксессуаров 1
Руководство по эксплуатации 1
Методика поверки 1

Поверка

осуществляется по документу МП 88.Д4-13 «Источники излучения в виде моделей черного тела серии М300. Методика поверки », утвержденному ГЦИ СИ ФГУП «ВНИИОФИ» 05 апреля 2013 г.

Основные средства поверки:

1 Пирометры инфракрасные серии М190, мод. М190Q-TS, М190V-TS Основные метрологические характеристики:_

М190Q-TS М190V-TS
Диапазон измеряемых температур, °С 200 — 1200 1000 — 3000
Погрешность измерений, °С ±0,8.2 (в зависимости от изм.темп.) ±1,6.10 (в зависимости от изм.темп.)
Поле зрения 60:1 300:1
  • 2 Пирометр TRT II
  • Основные метрологические характеристики: температурный диапазон: 0 — 1000 °С;
  • погрешность измерения: ±0,5°С+0,7% от разницы температур объекта измерения и корпуса прибора

Сведения о методах измерений

1    «Источники излучения в виде моделей черного тела серии М300. Руководство по эксплуатации и обслуживанию. Модели М360, М345Х, М345Х^С, М315Х, М315Х-НТ, М305», раздел 4.

2    «Источники излучения в виде моделей черного тела серии М300. Руководство по эксплуатации и обслуживанию. Модели М335, М315НТ», раздел 5.

3    «Источники излучения в виде моделей черного тела серии М300. Руководство по эксплуатации и обслуживанию. Модели М300, М330», раздел 6.

4    «Источники излучения в виде моделей черного тела серии М300. Руководство по эксплуатации и обслуживанию. Модели М310НТ, М340, М390», раздел 7.

Нормативные и технические документы, устанавливающие требования к источникам излучения в виде моделей черного т ела серии М300

1    ГОСТ 8.558-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная поверочная схема для средств измерений температуры».

2    Техническая документация фирмы «LumaSense Technologies, Inc.», США.

Лист № 9 Всего листов 9

Рекомендации к применению

Выполнение работ и (или) оказание услуг по обеспечению единства измерений.

Источник: https://all-pribors.ru/opisanie/56559-14-m300-60391

Ссылка на основную публикацию