Metode optice pentru masuratori

Pirometre de radiatie

Legile care stabilesc legtura dintre energia radiat i temperatur sunt legile radiaiei termice, legi enunate de Stefan-Boltzmann i Planck. Aceste legi arat c un corp radiaz energie termic la orice temperatura si ca o crestere a temperaturii provoaca o crestere a energiei radiate. Dupa principiul lor de functionare pirometrele cu radiatie se mpart n :

a) pirometre de radiatie totala (integrale) avand la baza legea Stefan-Boltzmann, b) pirometre optice cu disparitia filamentului (spectrale) bazate pe legea lui Planck

a) Pirometre de radiatie totala (pirometrul integral) Funcionarea pirometrelor de radiaie const n transformarea energiei radiante n

energie electric prin intermediul unui termocuplu cruia i se cunoate funcia dependenei de temperatur a tensiunii termoelectromotoare n cazul emisiei corpului negru. Astfel determinnd tensiunea termoelectromotoare produs de radiaia termic a corpului studiat, se poate cunoate temperatura rT a corpului negru corespunztor i mai departe temperatura real T a corpului.

Legea care stabilete emitana energetic integral pentru corpul negru este legea Stefan Boltzmann:

4TM e = (1) Pentru corpul gri (cenuiu) legea Stefan Boltzmann este:

( ) 4. TTM Tgrice = unde T este coeficientul de emisie energetic integral.

Aceeai cantitate de energie eM emis n unitatea de timp de catre unitatea de suprafa emitoare de un corp cenuiu aflat la temperatura T poate fi emis i de un corp negru, dar la o temperatura mai mica rT numit temperatura de radiaie.

4re TM = (2)

Din (1) i (2) avem: ( ) ( )regrice TMTM =. , de unde rezult 444 Tr

TrT

TTT

==

Avantaje: a) msurarea temperaturii se face fr contact; b) limita superioar de msurare a temperaturii este teoretic nelimitat; c) pot fi utilizate pentru msurri de temperatura n medii n care condiiile fizice fac

imposibil aplicarea altor metode.

b) Pirometre optice cu disparitie de filament Funcionarea pirometrelor optice au la baza compararea, respectiv egalarea structurii

monocromatice a doua surse luminoase, folosindu-se sensibilitatea ochiului operatorului. n cazul corpurilor negre am obinut emitana energeti spectral n scara lungimilor de

und n forma:

1exp

122

3

pi=

Tkhc

hM

B

e

Se poate obine emitana energetic spectral n scara lungimilor de und

1exp

125

pi

=

Tkhc

hcM

B

e

Formula lui Wien valabil pentru frecvene mari

= T

aaM e 23

1 exp poate fi

adus n forma :

= T

ccM e1

exp1 251 (valabil la lungimi de und mici), cu

Bkhcc /2 = . Pentru corpurile cenusii formula lui Wien poate fi scris introducnd factorul spectral de

emisie al corpului gri:

= T

cc

M Tgric

e

1exp 25

1,

.

Definim temperatura de strlucire (pentru un interval ngust de lungimi de und) a unui corp cu temperatura real T, ca fiind temperatura ST a corpului negru care, pentru aceeai lungime de und, are aceeasi emitana spectral cu cea a corpului aflat la temperatura T.

=

ST T

cc

Tcc 2

512

51

,expexp

= TT

c

sT

11exp 2

,

de unde rezult rapid:

+=

+= ln

ln112

2,

2 s

sT

s TcTc

TcTT

Schema de principiu a pirometrului cu dispariie de filament este prezentat mai jos, unde: 1 - corp incandescent; 2 - obiectiv (lentila) 3 - filtru de absorbie cnd

CT o1300> ; 4 - lamp; 5 -filtru monocromatic; 6 - obiectiv (lentil); 7 - ocular; 8 - ochiul operatorului; 9 - sursa de alimentare reglabil

Birefringena natural. Anizotropia provocat. Fotoelasticimetria.

Fenomenul de birefringen sau dubl refracie const n producerea a dou raze refractate pentru o singur raz incident. Fenomenul este caracteristic cristalelor anizotrope.

Exceptnd cristalele din sistemul cubic, toate celelalte cristale prezint n mod natural fenomenul de birefringen. Birefringena natural a fost pus n eviden pentru prima oar de Erasmus Bertholin (1669) la trecerea luminii printr-un cristal de calcit (spat de Islanda,

3CaCO ). Pentru lungimea de und 5893= acest cristal are indicii de refracie 658.10 =n i 658.1486.1 en .

Spatul de Islanda cristalizeaz n sistemul romboedric cu unghiul dintre muchii de 1020 (Fig.) i prezint axa de simetrie OO. Dac rotim cristalul n jurul direciei SI a undei incidente, se constat c raza ordinar pstreaz direcia, iar raza extraordinar se rotete odat cu cristalul.

Razele ordinar i extraordinar sunt polarizate liniar n plane perpendiculare ntre ele. Direcia de vibraie (oscilaie a vectorului E

r) a razei

extraordinare se afl n planul seciunii principale, iar direcia de vibraie a razei ordinare este perpendicular pe planul sectiunii principale (plan format de raza incident S i direcia axei optice OO).

Msura birefringenei unui cristal este dat de diferena dintre indicele de refraie ordinar on i indicele de refracie extraordinar en :

0nnn e = n afar de birefringena natural exist i birefingen provocat prin diverse

mecanisme: birefringenta mecanic, electric (efect Keer, efect Pockels), magnetic (efect Cotton-Mouton) sau dinamic (efect Maxwell).

Birefringena mecanic (descoperit de Brewster - 1816) const n apariia unei anizotropii ntr-un corp amorf cnd acesta este supus unei deformri mecanice. Axa optic este pe direcia aciunii forelor de comprimare sau ntindere. Birefringena este caracterizat de relaia:

SFCnn oe =

unde C este o constant de material, iar F i S sunt fora, respectiv suprafaa pe care acioneaz aceasta. Efectul este utilizat intens n determinarea optic a tensiunilor induse n piese sub aciunea forelor exterioare.

Procedeul, numit fotoelasticimetrie, const n a confeciona dintr-un material transparent (plexiglas) un model al obiectului care intereseaz i a supune modelul unor solicitri asemenea celor reale. Piesa din plexiglas este plasat ntre dou prisme Nicol (polarizorul P, respectiv analizorul A) avand axele de trecere perpendiculare. Asta nseamn c lumina de la sursa optic este complet obturat.

n momentul n care piesa este supus diverselor solicitri mecanice, extincia dispare,corpul fiind brazdat de diverse franje colorate (franjele izocrome corespund acelorai valori ale birefringenei). Anizotropia provocat i evaluat optic prin mrimea i semnul diferenei oe nn d informaii asupra distribuiei eforturilor mecanice n model i implicit n piesa real. n felul acesta se va cunoate locul sau suprafaa din pies ce necesit un tratament special de calire, aliere sau durificare.

0102 078

I S

O

O

Er

Er

e

o

Fig.

Birefringena dinamic (efectul Maxwell) const n apariia unei anizotropii optice n fluide vscoase aflate n curgere laminar, dar n care exist un gradient de vitez. Dac se consider o und care se propag n direcia Oz ntr-un fluid n care exist un

gradient al vitezei y

vx

, atunci birefringena este:

yv

constnn xe

= 0

Fenomenul este atribuit orientrii moleculelor cu lanuri lungi sub aciunea gradientului de vitez i este utilizat n studiul polimerilor.

Msurarea distanelor, vitezelor de deplasare i a acceleratiilor. (v. fisierul in format .ppt)

P

Proba

A

Fr