Як матеріал корпусу і сфери вибираємо сталь. Внутрішні поверхні корпусу і одну півсферу поліруємо, другу беремо після піскоструйки.
Як матеріал нагрівача можна використовувати провід з високим питомим опором з манганина, константана і ніхрому. Вибираємо ніхромову провід з подвійною емалевою ізоляцією ПЕ ВВНХ-2, як матеріал з найбільш високим питомим опором.
Проведемо спрощений теплової розрахунок джерела випромінювання. Для чого розрахуємо масу сфери і корпусу, кількість теплоти, необхідне для нагрівання випромінювача до заданої температури, необхідну для цього потужність спіралі.
5.1 Розрахунок маси сфери.
Для обчислення маси тіла на його щільності і об'єму скористаємося формулою:
де ρ - щільність речовини;
У нашому випадку маса порожньої сфери:
де ρ - щільність стали 7,89 г / см 3;
Vвнеш, Vвнутр - зовнішній і внутрішній обсяг сфери відповідно;
Обсяг сфери обчислимо за формулою:
де r - радіус сфери
Оскільки діаметр сфери 20 мм і товщина стінок 2 мм, то
5.2 Розрахунок маси корпусу
Для обчислення маси тіла на його щільності і об'єму скористаємося формулою:
де ρ - щільність стали 7,89 г / см 3;
Vк - обсяг корпусу;
Обсяг корпусу обчислимо за формулою:
де Vціл - обсяг циліндра;
Vбок - обсяг бічних поверхонь;
Vотв. діафрагми - обсяг отвору діафрагми.
Для розрахунків скористаємося вихідними даними:
- довжина циліндра l = 8см;
- внутрішній діаметр циліндра dвн = 2,2см;
- зовнішній діаметр циліндра Dнар = 2,4см;
- діаметр отвору діафрагми dотв.діафр = 12мм;
- товщина стінок циліндра h = 2 мм - товщина стінок.
Розрахуємо обсяг циліндра за формулою:
де dвн - внутрішній діаметр циліндра;
Dнар - зовнішній діаметр циліндра;
l - довжина циліндра.
Обсягу бічних стінок розрахуємо за формулою:
де dвн - внутрішній діаметр циліндра;
h - товщина стінок циліндра.
Обсяг отвори діафрагми розрахуємо за формулою:
де dвн - внутрішній діаметр циліндра;
dотв.діафр - діаметр отвору діафрагми.
Vотв. діафрагми = 0,15 см 3
Тоді обсяг корпусу буде дорівнює:
5.3 Розрахунок кількості теплоти, необхідної для нагрівання джерела випромінювання від мінімальної робочої температури до 27 0 С
Кількість теплоти, отримане тілом при нагріванні або охолодженні, визначається рівнянням:
де с - питома теплоємність тіла;
mс - маса сфери;
Тmax. Тmin - початкова і кінцева температура сфери за шкалою Кельвіна відповідно.
В системі СІ кількість теплоти як будь-який вид енергії вимірюється в джоулях. Співвідношення між кал і Джоулем має вигляд:
5.4 Розрахунок потужності спіралі
Робота струму на ділянці ланцюга дорівнює:
де I - сила струму;
t - час, на протязі якого відбувалася робота.
У формулі (19) висловимо або напруга через силу струму, або силу струму через напруги за допомогою закону Ома для ділянки ланцюга, то отримаємо три еквівалентні формули:
Кількість теплоти, яке виділяє провідник зі струмом в навколишнє середовище, висловимо за допомогою закону Джоуля - Ленца:
Ця формула дозволяє обчислити кількості теплоти, що виділяється на будь-якій ділянці ланцюга, що містить будь-які провідники.
Будь-який електричний прилад розрахований на споживання певної енергії в одиницю часу. Потужність струму обчислимо за формулою:
де Q - кількість теплоти, необхідне для нагрівання сфери;
t - час нагрівання, рівне 100 с.
Таким чином, потужності 5 Вт досить для швидкого прогрівання системи.
5.5 Розрахунок спіралі
Опір спіралі R визначається за формулою:
При використанні дроту ПЕ ВВНХ-2 максимального перетину 0,4 мм 2
довжина проводу визначається за формулою:
Визначимо кількість витків спіралі:
Спіраль рівномірно наметовому на внутрішній циліндричний корпус.
Спіраль розміститься, тому що під час намотування виток до витка без межвиткового інтервалу довжина спіралі складе:
а довжина корпусу - 80 мм.
6 ОПИС структурних схем ВИПРОМІНЮВАЧА У ВИГЛЯДІ
МОДЕЛІ АБСОЛЮТНО ЧОРНОГО ТІЛА
Структурна схема вимірювача представлена в Додатку Б
Пропоноване Вашій увазі пристрій є симбіозом оптики, теплотехніки і електроніки. Пристрій складається з наступних складових частин:
- датчики температури випромінювача;
- датчик температури навколишнього середовища;
- система вимірювання температури;
- пристрій введення інформації;
- пристрій повороту випромінювача.
Основною частиною пристрою є джерело інфрачервоного випромінювання (випромінювач), виконаний у вигляді кулі з двома поверхнями, що мають різні коефіцієнти випромінювання. Інтенсивність потоку випромінювання падає паралельно зі збільшенням відстані до джерела. Завдання пристрої - створити потік, інтенсивність якого не змінюється зі збільшенням відстані. Цю функцію виконує об'єктив. Існує два способи зміни напрямку поширення електромагнітних хвиль. Перший заснований на використанні ефекту заломлення, другий - відображення. Ефект заломлення використовується в об'єктивах, побудованих на основі систем лінз. Це дуже складні і не широкосмугові пристрої, так як коефіцієнт заломлення залежить від довжини хвилі. Об'єктиви, побудовані на ефекті відображення (система дзеркал) вільні від вищевказаного недоліку, вони значно простіше в реалізації. Спектр випромінювання низькотемпературного АЧТ шірокополосен і не має виражених максимумів, тому в даному випадку прийнятно використання тільки об'єктива рефлектора, тобто виготовленого на базі систем дзеркал. Рефлектор має ще одну перевагу, об'єктиви з великим діаметром і коефіцієнтом посилення реалізуються простіше. Об'єктив більшого діаметра дозволить в кінцевому підсумку розподілити інтенсивність випромінювання АЧТ по більшій площі, а, отже, отримати потік менші за розміром.