Энергетическая освещенность

Министерство образования Российской Федерации

Волгоградский государственный технический университет

Кафедра «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей»

СЕМЕСТРОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Основы научных исследований»

Тема: «Энергетическая освещенность»

Вариант: 74

Студент: Литвинов Александр Владимирович

Группа: АТ-312

Направление: 5521 «Эксплуатация транспортных средств»

Преподаватель: Зотов Николай Михайлович

Дата сдачи на проверку: ___________

Роспись студента: ___________

Волгоград 2003

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Характеристика энергетической освещенности ….…………………. 3

2. Способы, датчики и приборы, используемые для измерения энерге-тической освещенности и их принципы работы……….……..…………6

3. Примеры измерения энергетической освещенности при производст-ве, испытании, диагностировании, техническом обслуживании и ре-монте автомобилей или их элементов ….…..……………..……………12

Список литературы…………………………………………………….....13

1. Характеристика энергетической освещенности

До относительно недавнего времени (начало XX века) глаз человека был единственным известным приемником излучения. Поэтому мера излу-чения определялась только реакцией глаза, т. е. световым потоком.

Однако в настоящее время положение существенно изменилось. Хоро-шо известны и во многих случаях подробно изучены излучения в ультра-фиолетовой и в инфракрасной областях спектра; часто говорят также о рент-геновском и гамма-излучениях, энергия которых в большинстве случаев от-носительно мала. В связи с этим появилась потребность в оценке общей мощности излучения не только со зрительной (визуальной), но и с физиче-ской точки зрения, и наряду со световым потоком все большую роль начина-ет играть поток излучения, который иногда называют также лучистым пото-ком. Под потоком излучения (лучистым потоком) понимается общая мощ-ность, передаваемая электромагнитными колебаниями, независимо от длины волны или частоты излучений, входящих в состав рассматриваемого потока. Поток принято обозначать буквой Ф и измерять в ваттах.

Как естественное следствие того, что поток излучения становится од-ной из основ радиационной энергетики, возникает потребность во всех ви-дах его производных, применяемых для характеристики разных случаев его пространственного распределения.

Угловая плотность лучистого потока называется силой излучения и оп-ределяется выражением:

,

где dФ – лучистый поток, распространяющийся в данном направлении внут-ри элементарного телесного угла dΩ, содержащего это направление. Телес-ный угол есть мера множества прилегающих друг к другу направлений в пространстве (рис. 1). Он измеряется площадью, которую на поверхности сферы единичного радиуса вырезает коническая поверхность, содержащая все эти направления и имеющая вершину в центре сферы, или, что то же самое, отношением площади, вырезаемой на поверхности сферы произвольного радиуса к квадрату радиуса:

,

где – вырезаемая конической поверхностью площадь; l – радиус сферы.

В данной работе рассматривается энергетическая освещенность (облученность), характеризующая уровень облучения поверхности, на кото-рую падает поток излучения, и распределение потока вдоль поверхности (рис. 2). Таким образом, это величина, определяющая поверхностную плотность потока:

,

где dA – элемент облучаемой поверхности; dФ – падающий на этот элемент поток.

Очевидно, что если поток распределяется на поверхности равномерно, то:

,

где Ф – поток, падающий на всю поверхность.

Единица измерения облученности – ватт на квадратный метр.

Для примера облученность солнечной энергией при высоком Солнце и чистой атмосфере (у земной поверхности длины волн λ = 0,3 - 4 мкм) в Белоруссии составляет для перпендикулярной лучам площадки 1 кВт/м2, а для горизонтальной 0,8 кВт/м2. Значение облученности может находиться в очень широких пределах.

Если поверхность dA облучается точечным источником (любой источ-ник может считаться точечным при достаточно больших расстояниях по сравнению с размерами источников) и расположена под углом θ к оси телес-ного угла dΩ, то для облученности получим формулу (рис. 3):

.

Если поверхность нормальна к направлению распространения излуче-ния, то:

.

Эту зависимость часто называют законом обратных квадратов.

Для характеристики общей насыщенности пространства энергией из-лучения вводится понятие пространственной облученности.

Для раскрытия понятия пространственной облученности введем поня-тие лучистости. Лучистостью B называется сила излучения с единицы пло-щади проекции испускающей поверхности на плоскость, перпендикулярную к направлению излучения. Лучистость определяет поверхностно-угловое распределение лучистого потока в пространстве.

Пусть точка О находится в пространстве, где излучение распространяется во всевозможных направлениях (рис. 4). Опишем вокруг данной точки малую сферу с экваториальным сечением, площадь которого равна единице. Допустим, что элемент пространства, окружающего сферу, видимый из точки О под телесным углом имеет лучистость B. Лучистый поток через сферу, создаваемый этим элементом пространства, равен:

,

а полный лучистый поток через рассматриваемую «единичную» сферу от всего пространства определится интегрированием этого выражения в преде-лах полного телесного угла 4π:

.

Лучистый поток, падающий со всех сторон на сферу с экваториальным сечением, равным единице площади, и называют пространственной облу-ченностью E0. Таким образом, пространственная облученность:

.

Если лучистость В постоянна по всему пространству, то:

.

В случае, когда излучение падает в данную точку пространства только из полусферы, обладающей постоянной лучистостью:

.

Размерность пространственной облученности одинакова с размерно-стью обычной облученности на плоскости: Вт/м2.

Насыщенность пространства энергией излучения может быть опреде-лена еще при помощи среднесферической облученности E4π, которая опреде-ляется выражением:

и представляет собой среднюю облученность по поверхности элементарно малой сферы с центром в данной точке пространства.

Необходимо подчеркнуть, что среднесферическая облученность пред-ставляет собой чисто расчетное понятие, тогда как облученность является физической реальностью, поддающейся непосредственному измерению. На-конец, очень важно то, что пространственная облученность – это функция точки, а облученность на плоскости – функция точки и направления.

2. Способы, датчики и приборы, используемые для измерения

энергетической освещенности и их принципы работы

Способы. Выделяют 3 основных способа измерения энергетической освещенности:

1. радиометрический способ;

Радиометрический способ основан на простом принципе: при погло-щении тепловым приемником потока излучения происходит нагревание ве-щества. Ввиду этого измерение энергетической освещенности сводится к измерению температуры. Степень повышения температуры определяется в свою очередь путем измерения того или иного эффекта, зависящего от тем-пературы. К ним относится тепловое расширение вещества, изменение его оптического сопротивления, испарение и т. д. Чаще всего эффекты линейно зависят от энергетической освещенности.

2. фотоэлектрический способ;

Фотоэлектрический способ основан на принципе фотоэффекта. Внеш-ний фотоэффект наблюдается у металлов и некоторых полупроводников. При падении излучения на поверхность какая-то доля падающего потока по-глощается. Энергия поглощенного фотона передается электрону внутри ме-талла; его кинетическая энергия увеличивается. Если она превысит работу выхода, необходимую для преодоления потенциального барьера, то электрон вырывается из металла. Энергия выходящих электронов линейно зависит от частоты падающего излучения, а их число – от числа падающих квантов.

3. способ измерения энергетической освещенности через световые ве-личины

При измерении энергетических величин приемник должен просумми-ровать излучения всех длин волн, испускаемые источником. Иначе говоря, он должен быть неселективным в пределах всего диапазона, излучаемого ис-точником. Трудно обеспечить с достаточной точностью неселективность в очень широком диапазоне длин волн. Все измерения обычно производят в атмосфере, которая имеет значительное поглощение в различных участках ультрафиолетовой и инфракрасной областей. Дополнительное осложнение состоит в том, что это поглощение зависит от состояния атмосферы и, сле-довательно, меняется от случая к случаю. Если учесть все трудности, свя-занные с измерениями в широком спектральном диапазоне, в некоторых случаях может оказаться, что определение энергетических величин, в част-ности энергетической освещенности, через световые выгодно как с точки зрения точности, так и по соображениям трудоемкости.

Датчики. Датчиками при измерении энергетической освещенности яв-ляются приемники излучения (детекторы). До настоящего времени разрабо-тано