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Bolometro in vuoto Liceo Scientifico B.Russell-I.Newton Classe II C, indirizzo PNI Docente responsabile: Prof. Stefano Lagomarsino Montella.

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1 Bolometro in vuoto Liceo Scientifico B.Russell-I.Newton Classe II C, indirizzo PNI Docente responsabile: Prof. Stefano Lagomarsino Montella

2 Scopo dellesperienza Abbiamo costruito un dispositivo per la misura della potenza radiante incidente sullunità di superficie, integrata su tutte le lunghezze donda Montella

3 Principio di funzionamento Il bolometro è un corpo Buon conduttore di calore e di piccola capacità termica Coperto da uno strato che lo rende buon assorbitore di radiazione a tutte le lunghezze donda (nerofumo) Accoppiato ad un termometro Isolato termicamente da un ambiente a temperatura costante T 0 20°C T0T0 Montella

4 Principio di funzionamento 20°C T0T0 Esponendo il bolometro ad una fonte di radiazione la temperatura, nel tempo, si avvicina asintoticamente ad una temperatura limite T f : T0T0 TfTf k TfTf k Se si aumenta la potenza incidente, aumentano proporzionalmente anche la differenza T f - T 0 Il coefficiente angolare iniziale k della retta tangente t Montella

5 20°C T0T0 I due indicatori così ottenuti: livello asintotico della temperatura gradiente termico temporale In realtà non sono adatti per letture veloci dellirradianza T0T0 TfTf k Il primo richiede tempi di lettura t l piuttosto lunghi Il secondo richiede tempi di recupero t r altrettanto lunghi tltl trtr Montella

6 20°C T0T0 k - - k + k Interponendo un otturatore davanti al bolometro, si dimostra che, a prescindere dalla temperatura iniziale della misura e da quella del termostato T 0, la differenza fra i coefficienti angolari prima e dopo il punto angoloso è la stessa, ed è uguale al coefficiente angolare iniziale Come si ottiene un indicatore per una lettura veloce e senza tempi di recupero k = k - - k + = k - - k + Montella

7 20°C T0T0 k - - k + k Una misura di questo genere ha tempi di lettura relativamente brevi, e non ha tempi di recupero. Si può ripetere in qualsiasi momento, ottenendo risultati dipendenti solo dalla potenza incidente. Principio di funzionamento Il nostro bolometro è stato posto in vuoto, in modo da eliminare le perdite per convezione, le meno riproducibili Montella

8 k =k - - k + k Principio di funzionamento t T La potenza incidente sullunità di superficie (irradianza E e ) si ottiene dalla capacità termica del bolometro (m bol c s ) dalla superficie esposta (S) Dal coefficiente di assorbimento dello strato assorbente ( ) dalle pendenze delle curve T-t prima e dopo linterposizione dellotturatore Montella

9 Principio di funzionamento Una sorgente luminosa calibrata, posta ad una distanza nota, permetterebbe misure di irradianza affette solo dallerrore sulla differenza fra le pendenze Poiché non disponiamo di una tale sorgente, le nostre misure saranno affette anche dallerrore sulle grandezze Alcune delle quali meriteranno qualche precisazione finale. Montella

10 A B C D E F G H H I A A A: Finestra in solfuro di zinco (trasparenza m) con trattamento antiriflesso B: Bolometro in piombo (20 g) con inglobata termocoppia tipo K ( 41 V/°C) annerita con nerofumo C: Colonnini di vetro D: Tubo di PVC E: Passante BNC da vuoto F: raccodo da vuoto a T da 25 mm G: O-ring in Viton® H: cravatta I: Valvola da vuoto Schema del bolometro Marzullo

11 Schema del bolometro A B C D E F G H H I A A Marzullo

12 Dettagli costruttivi La testa del bolometro è stata ottenuta fondendo una massa di g di comuni piombini da caccia in un crogiolo di ceramica Per assicurare il contatto termico fra testa e termocoppia, la termocoppia è stata immersa nel fuso durante il raffreddamento, dopo averla ricoperta con uno strato di pasta termicamente conduttiva, al fine di isolare elettricamente la termocoppia dal piombo Marzullo

13 Dettagli costruttivi Infine il crogiolo è stato spezzato … E la testa era pronta per essere annerita col nerofumo. Marzullo

14 Collaudo del dispositivo Si è voluto prima di tutto verificare che effettivamente lindicazione della potenza assorbita dal bolometro ottenuta con la formula È indipendente dalla temperatura del punto angoloso. k - - k + k Per far questo, con una sorgente luminosa di intensità costante ed a distanza costante dalla testa del bolometro (lampada ad incandescenza), si sono eseguite misure a temperature diverse. Bombini

15 I valori di k che si ottengono nei due casi sono k = ( ) °Cs -1 e k = ( ) °Cs -1 Due valori compatibili nei limiti dellerrore del fit, che è inferiore al 1%. Collaudo del dispositivo Bombini

16 Collaudo del dispositivo A questo punto si è messa a punto una procedura per valutare lassorbimento della finestra di solfuro di zinco. La ditta costruttrice (Galileo) dichiara una trasparenza pressochè piatta dell 90% circa fra 0.4 e 14 m di lunghezza donda. Per una misura di precisione è necessario però valutare la trasparenza per la distribuzione spettrale della sorgente in esame. A questo scopo si sono eseguite tre misure di potenza assorbita dal bolometro con una, due, e tre finestre rispettivamente. Bombini

17 Collaudo del dispositivo Si sono ottenuti i valori: k 1 = ( )10 -2 °Cs -1 k 2 = ( )10 -2 °Cs -1 k 3 = ( )10 -2 °Cs -1 Bombini

18 Collaudo del dispositivo Si sono ottenuti i valori: Estrapolando esponenzialmente con 0 finestre otteniamo con un errore poco superiore all1% k 1 = ( )10 -2 °Cs -1 k 2 = ( )10 -2 °Cs -1 k 3 = ( )10 -2 °Cs -1 k 0 = ( )10 -2 °Cs -1 Bombini

19 Collaudo del dispositivo La trasparenza della finestra può essere valutata dal coefficiente in = ( )% che dà un valore di trasperenza Tale valore, in ogni caso, è da intendersi valido per la distribuzione di frequenza della particolare sorgente che è stata usata nella misura. Con sorgenti diverse andrebbe comunque misurato di nuovo. k 0 = ( )10 -2 °Cs -1 Bombini

20 Conclusioni Lo strumento da noi costruito consente di ricavare la potenza luminosa incidente sullunità di superficie dalla differenza k fra i coefficienti angolari della curva T-t prima e dopo la chiusura di un otturatore: La grandezza k varia con la potenza incidente, e può essere valutata con un errore dellordine dell1% La costante dello strumento potrebbe essere misurata disponendo di una sorgente calibrata, altrimenti deve essere ricavata come

21 Se non si dispone di una sorgente di luminosità nota, la misura è quindi affetta anche dallerrore sulle grandezze Fra queste, due (la massa = g e la superficie S = cm 2 ) sono conosciute con precisione superiore allerrore su k, per il nerofumo, viene riferito aggirarsi intorno al valore 0.99, con unincertezza non meglio quantificata Il calore specifico del materiale ha bisogno di un discorso a parte. Bombini

22 Unultima nota sul materiale usato per il bolometro Durante il raffreddamento del fuso (monitorato per mezzo della termocoppia) si è notato che il materiale andava soggetto a due cambiamenti di fase distinti, il primo a 299°C circa e laltro a 239°C Questo rivela che i piombini da caccia che abbiamo usato sono costituiti da una lega di piombo ed almeno un altro elemento in concentrazione non trascurabile. Marzullo

23 Un confronto con il diagramma di fase a pressione costante della lega Piombo-Stagno, indica che le nostre temperature di transizione sono compatibili con una lega ad un tenore di Stagno di circa il 14%. Unultima nota sul materiale usato per il bolometro Marzullo

24 Successive misure di densità, eseguite dai nostri compagni della I C, hanno fornito il valore = g/cm 3, che differisce significativamente da quello del piombo puro (11.34 g/cm 3 ). Purtroppo, in assenza di una tabella densità-tenore di stagno per la fase della lega, non si può verificare il dato %Sn 14% ottenuto con la curva di raffreddamento. Unultima nota sul materiale usato per il bolometro Marzullo

25 Si ottiene c s = cal/(g. °C) valore noto con una approssimazione presumibile sullultima cifra significativa ma difficilmente valutabile. Adottando per il calore specifico lapprossimazione per cui esso dipende dai rapporti molari dei due elementi nel seguente modo: Unultima nota sul materiale usato per il bolometro Marzullo

26 Conclusioni La costante dello strumento risulta quindi: = ( )Wm -2 s°C -1 risulta quindi, al momento, affetta da un errore piuttosto alto ( 4%), ma che potrebbe essere limitato o disponendo di una sorgente di luminosità nota con un errore inferiore, o sostituendo il bolometro con uno costruito con piombo ad alta purezza. Un valore che rende lo strumento adatto a misure di irradianza solare (irradianza massima, fuori dallatmosfera, E e =1366 W/m 2 ) Marzullo


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