Какви са физическите принципи на измерване на температурата. Методи и средства за измерване на температурата обща информация. Описание на измервателните уреди

Изпратете вашата добра работа в базата от знания е лесно. Използвайте формуляра по-долу

Студенти, специализанти, млади учени, които използват базата от знания в своето обучение и работа, ще ви бъдат много благодарни.

публикувано на http://www.allbest.ru

ВЪВЕДЕНИЕ

Температурата влияе на много процеси и реакции, протичащи в природата, осъществявани в лаборатории и промишлени предприятия. Измерванията на температурата се оценяват от експерти на 50% от общия брой измервания в производството. По-специално, температурата определя хода на процесите, състоянието на технологичните устройства и режимите на тяхната работа.

Температурата е една от основните величини, които определят термодинамичното състояние на веществата, характеризиращи степента на нагряване на тялото. Това е статистически генерирана термодинамична величина, определена от нивото на вътрешната енергия на тялото, която се носи от атоми и молекули. В този случай температурата се определя от тяхната кинетична енергия на движение.

В тази работа се опитах да събера информация за съвременните методи за измерване на температурата. Както знаете, много голям брой от тях са разработени. Някои от тях са универсални, други са удобни за използване в определени научни изследвания и индустрии. температура луминесцентен оптичен термичен индикатор

По-голямата част от резюмето е посветена специално на луминесцентните методи за измерване на температурата, които сега са обещаващи и много търсени. При определени условия те имат редица предимства пред други: в точност, бързина, обратимост, устойчивост на външни химични, електромагнитни, физически и други влияния, ефективност.

Поради това методите за измерване на луминисцентната температура продължават да се развиват бързо и да разширяват своите области на приложение. Тъй като ролята на температурните и топлинните измервания в момента е много голяма, това резюме може да бъде полезно за специалисти от много индустрии и области на науката.

1. КРАТКА ТЕОРЕТИЧНА ИНФОРМАЦИЯ ОТ ТЕРМОМЕТРИЯТА И ТЕОРИЯТА НА ЛУМИНИСЦЕНЦИЯТА

1. 1 Методи за измерване на температура

За разлика от други параметри, характеризиращи състоянието на материята, измерването на температурата може да се извърши само индиректно, въз основа на зависимостта на такива физични свойства на телата от температурата, която може да бъде директно измерена. Например, такава физическа величина може да бъде обемът на веществото, налягането, електрическото съпротивление или друг параметър в зависимост от температурата. В този случай е необходимо промяната в използвания параметър да бъде свързана с температурата чрез функционална зависимост, близка до линейна; тази връзка трябва да се изкривява възможно най-малко поради влиянието на други параметри на процеса, точно и просто възпроизвеждани при калибриране на измервателното устройство.

Обикновено измерените температури са в диапазона от -273 до 3000 ° C, следователно, за измерване на температурата във всички възможни случаи са необходими различни средства и методи за измерване, към които в зависимост от задачата за измерване се прилагат значително различни изисквания предложени по отношение на точността на измерване. Всички тези факти водят до допълнителни затруднения при избора на метод за измерване на такъв параметър като температура в специфични производствени и лабораторни условия.

Известните в момента методи за измерване на температурата могат да бъдат разделени на две групи: контактни и безконтактни методи. Когато се използват устройства от първата група (например термодвойки, анемометри с гореща тел, акустични анемометри и др.), е необходимо да се вземат предвид, в една или друга степен, особеностите на топлопреминаването между обекта, термометъра и външната среда, тъй като контактните термометри са в пряк контакт с обекта, което силно влияе върху резултатите от измерванията, като внася значителни грешки.

При измерване на температурата с помощта на оптични методи (интерферометрични, оптико-холографски и др.) температурното поле на измервания обект не се изкривява. Освен това става възможно измерването на температурата не в една точка, а веднага в целия обем на изследвания обект. Наред с това, оптичните методи нямат инерционни грешки, което улеснява точните измервания на моментните стойности. Високата чувствителност и точност на измерванията определят използването на оптични методи при изследване на сложни процеси, придружени от резки флуктуации в характеристиките на процеса.

1. 2 Концепцията за луминесценция

Луминесценция (от лат. lumen - светлина и -escent - суфикс, означаващ слабо действие), излъчване, което е излишък над топлинното излъчване на тялото и продължава за известно време, значително надвишаващо периода на светлинните трептения.

Естествените явления на луминесценцията - полярното сияние, сиянието на някои насекоми, минерали, гниеща дървесина - са известни от древни времена, но те започват систематично да изучават луминесценцията от края на 19 век (Е. и А. Бекерели, F. Lenard, W. Crookes и др.) ... Интересът към изследването на луминесценцията на различни вещества довежда В. К. Рентген до откриването на рентгеновите лъчи, а през 1896 г. А. Бекерел, който изучава луминофорите, открива явлението радиоактивност. При установяването на основните закони на луминесценцията, както и в развитието на нейните приложения, от изключителна важност са работите на съветската школа на физиците, създадени от С. И. Вавилов.

Луминесценцията може да бъде причинена от бомбардиране на вещество с електрони и други заредени частици, преминаване на електрически ток през веществото, осветяване на веществото с видима светлина, рентгенови и гама лъчи, както и някои химични реакции в вещество.

Луминесценция се наблюдава във всички агрегатни състояния – в газове, течности и твърди вещества. Например, пари и газове O 2 , S 2, Na 2 и др., съединения от бензеновия ред, ароматни съединения, различни видове багрила, неорганични кристали с примеси от тежки метали, наречени кристалофори, са луминисцентни вещества - луминофори.

За разлика от равновесното топлинно излъчване, луминисцентното лъчение няма равновесен характер. Причинява се от относително малък брой атоми, молекули или йони. Под действието на луминесцентен източник те преминават във възбудено състояние, а последващото им връщане в нормално или по-малко възбудено състояние е придружено от излъчване на луминесцентна радиация. Тези атоми, молекули и йони обикновено се наричат ​​луминесцентни центрове.

Елементарният процес на луминесценция се състои от два етапа. На първия етап луминесцентният център се възбужда, на втория той луминисцентира при преминаване от възбудено състояние към основно състояние или по-слабо възбудено състояние. Енергията на фотона, роден на последния етап, очевидно е равна на разликата в енергиите на състоянията, между които е извършен съответният квантов преход. По този начин луминесцентният център използва енергията на възбуждане, превръщайки я в енергията на собственото си излъчване.

Продължителността на сиянието се дължи на продължителността на възбуденото състояние, което освен свойствата на луминесцентното вещество зависи и от околната среда. Ако възбуденото състояние е метастабилно, тогава времето на пребиваване на частицата в него може да достигне 10 -4 секунди, което съответно увеличава продължителността на луминесценцията.

Луминесценция, която спира веднага след края на действието на луминесцентния патоген, се нарича флуоресценция. Луминесценция, която продължава дълго време след прекратяване на действието на луминесцентния патоген, се нарича фосфоресценция.

Флуоресценцията се причинява от преходите на атоми, молекули или йони от възбудено състояние в нормално състояние. Фосфоресценцията се дължи на наличието на метастабилни възбудени състояния на атоми и молекули, преминаването от които в нормално състояние е трудно по една или друга причина. Преходът от метастабилно състояние към нормално състояние е възможен само в резултат на допълнително възбуждане, например термично. Разликата между флуоресценция и фосфоресценция е доста произволна.

Луминесценцията под действието на светлината се нарича фотолуминесценция, под действието на електронно бомбардиране - катодолуминесценция, под действието на електрическо поле - електролуминесценция, под действието на химични трансформации - хемилуминесценция. Известни са още триболуминесценцията - сиянието при триене на определени вещества, кристалната луминесценция - сиянието, което се получава при механичното компресиране на кристалите, и йонолуминесценцията - сиянието при преминаване на ултразвукови вълни през разтвори на определени вещества.

В зависимост от естеството на елементарните процеси, водещи до луминесцентно излъчване, се различават спонтанни, принудителни и рекомбинационни луминесцентни процеси, както и резонансна флуоресценция. Резонансната флуоресценция се наблюдава в атомните пари и се състои в спонтанно излъчване от същото енергийно ниво, на което излъчващият атом се намира при поглъщане на енергия от източник на луминесценция. Когато резонансната флуоресценция се възбужда от светлина, се осъществява резонансно излъчване, което се трансформира в резонансно разсейване с увеличаване на плътността на парите. Спонтанната луминесценция се състои във факта, че под въздействието на източник на луминесценция, атомите (молекули или йони) първо се възбуждат до междинни възбудени енергийни нива ( Е 2 ) - По-нататък от тези нива има радиационни и по-често нерадиационни (фиг. 1) преходи към нивата, от които се излъчва луминесцентното сияние. Този тип луминесценция се наблюдава в сложни молекули в пари и разтвори, в центрове на примеси в твърди вещества.

Стимулираната (метастабилна) луминесценция се характеризира с факта, че под действието на луминесцентен източник настъпва преход към метастабилно ниво, след което следва преход към метастабилно ниво и след това следва преход към ниво на луминесцентна радиация (фиг. . 2).

Пример за това е фосфоресценцията на органичната материя. Рекомбинационната луминесценция е рекомбинационно излъчване, което се получава, когато частиците се обединяват отново, които са били разделени чрез поглъщане на енергия от източник на луминесценция (в газове - радикали или йони, в кристали - електрони и дупки).

Рекомбинационната луминесценция може да възникне в дефектни или примесни центрове (центрове на луминесценция), когато дупките са уловени на нивото на земята на центъра и електроните са уловени на неговото възбудено ниво.

Закономерности на луминесценция.

1. Правилото на Стокс: дължината на вълната на фотолуминесценцията обикновено е по-голяма от дължината на вълната на вълнуващата светлина. В по-обща формулировка: максимумът на спектъра на луминесценция се измества към по-дълги дължини на вълната от максимума на спектъра на абсорбция. От квантова гледна точка правилото на Стокс означава, че енергията hvедин квант вълнуваща светлина се изразходва частично за неоптични процеси:

hv = hv лум+ W,тези. v лум < v или л лум> л ,

където W -енергия, изразходвана за различни процеси, различни от фотолуминесценция.

2. В някои случаи фотолуминесцентното лъчение има дължини на вълните в своя спектър, които са по-къси от дължините на вълната на възбуждащата светлина (антистоксово лъчение). Това явление се обяснява с факта, че енергията на топлинното движение на атоми, молекули или йони на фосфора се добавя към енергията на възбуждащия фотон:

hv лум = hv погл + akT,

където а -коефициент в зависимост от естеството на фосфора, k -константа на Болцман, T -абсолютна температура на фосфора. Антистоксовата радиация се появява все по-ясно с повишаване на температурата на фосфора.

3. Съотношението на енергията на луминесценция към енергията, погълната при стационарни условия от фосфор от източник, който възбужда луминесценция, се нарича луминесцентен енергиен добив.

Квантовият добив на фотолуминесценция е съотношението на броя на фотоните на луминесцентното лъчение към броя на погълнатите фотони на възбуждащата светлина при фиксирана енергия на последната. Енергийният добив на фотолуминесценция нараства право пропорционално на дължината на вълната l на погълнатото лъчение и след това, достигайки в определен интервал при l Максмаксимална стойност, бързо намалява до нула с по-нататъшно нарастване (законът на Вавилов). С увеличаване на дължината на вълната на вълнуващата светлина, броят на фотоните с енергията hv,съдържащи се в дадена енергия на първично излъчване. Тъй като всеки фотон може да предизвика появата на квант hv лум, то с увеличаване на дължината на вълната настъпва увеличение на енергийния добив при l Макссе обяснява с факта, че енергията на погълнатите фотони става недостатъчна за възбуждане на частиците на фосфора.

Според закона на Вавилов квантовият добив на фотолуминесценция не зависи от дължината на вълната на възбуждащата светлина в областта на Стокс (v отл> v лум) и пада рязко в областта на антистоксовата радиация (v отл < v лум).

Стойностите на квантовия и енергийния добив силно зависят от естеството на фосфора и външните условия. Това се дължи на възможността за нерадиационни преходи на частици от възбудено към нормално състояние, така нареченото гасене на луминесценцията. Основната роля в процесите на гасене играят сблъсъците от втори вид, в резултат на които енергията на възбуждане се преобразува във вътрешната енергия на топлинното движение без излъчване. Има също така рязко намаляване на интензитета на флуоресценция при прекомерно висока концентрация на молекули на луминесцентното вещество, наречено концентрационно гасене. В този случай, поради силната връзка между частиците, образуването на луминесцентни центрове е невъзможно.

4. Интензитетът на луминесценция за спонтанна и метастабилна луминесценция се променя с течение на времето според експоненциален закон:

където аз -интензитет на луминесценция в даден момент т, аз 0 - интензитетът на луминесценция в момента на прекратяване на възбуждането на луминесценция е средната продължителност на възбуденото състояние на атоми или молекули на фосфора.

Стойността на m обикновено е от порядъка на 10 -9 - 10 -8 сек. При липса на процеси на гасене m слабо зависи от условията и се определя главно от вътрешномолекулни процеси.

5. Интензитетът на рекомбинационното луминесцентно сияние се променя с времето според хиперболичния закон:

където аи NS -постоянен; величина асе намира в диапазона от части от сек -1 до много хиляди сек -1; , където аз 0 - интензивността на рекомбинационната луминесценция в момента на нейното възбуждане; нсключени в диапазона от 1 до 2.

Луминесцентните методи за измерване на температурата се основават на температурната зависимост на интензитета на луминесцентното излъчване на някои люминофори, което се използва в различни температурни сензори и термични покрития.

2. ОПТИЧНИ СЕНЗОРИ

2 .1 Оптични сензори

Оптичните сензори могат да измерват много характеристики на лабораторни и промишлени съоръжения, по-специално температура. Въпреки факта, че използването им е доста трудоемко, то предоставя редица предимства, използвайки такива сензори на практика: неиндукция (т.е. неподатливост на влиянието на електромагнитната индукция); малък размер на сензорите, еластичност, механична якост, висока устойчивост на корозия и др.

Така нареченият ефект на Раман е особено подходящ за измерване на температура с оптични влакна от силициев диоксид. Светлината в стъкленото влакно се разсейва от микроскопично малки флуктуации на плътността, чийто размер е по-малък от дължината на вълната. При обратно разсейване може да се намери, заедно с еластичната част на разсейване (излъчено разсейване) при същата дължина на вълната, както проникната светлина, така и допълнителни компоненти на други дължини на вълната, които са свързани с вибрацията на молекулите и по този начин с локалната температура (Raman Раманово разсейване) ...

Оптични сензори

Оптичните сензори (също често наричани сензори с оптични влакна) са оптични устройства за откриване на определени количества, обикновено температура или механично напрежение, но понякога също и преместване, вибрации, налягане, ускорение, въртене (измерени с оптични жироскопи, базирани на ефекта на Саняк ) и концентрацията на химикали. Общият принцип на такива устройства е, че светлината от лазер (най-често едномодов лазер с влакна) или суперлуминесцентен оптичен източник се предава през оптично влакно, като претърпява лека промяна в параметрите си във влакното или в един или повече Bragg решетки и след това достига веригата за откриване, която оценява тези промени.

В сравнение с други видове сензори, оптичните сензори имат следните предимства:

· Те се състоят от електрически непроводими материали (не изискват електрически кабели), което им позволява да се използват например на места с високо напрежение.

· Могат да се използват безопасно във взривоопасна среда, тъй като няма риск от електрическа искра, дори в случай на повреда.

· Те не са податливи на електромагнитни смущения (EMI), дори в близост до удар от мълния, и сами по себе си не електрифицират други устройства.

· Техните материали могат да бъдат химически инертни, тоест не замърсяват околната среда и не корозират.

· Имат много широк работен температурен диапазон (много по-висок от този на електронните устройства).

· Имат възможност за мултиплексиране; множество сензори в една връзка с влакна могат да бъдат интегрирани с един оптичен източник (вижте по-долу).

Сензори за решетка Bragg

Оптичните сензори често се основават на влакнести решетки на Браг. Основният принцип на много оптични сензори е, че дължината на вълната на Браг (т.е. дължината на вълната на максимално отражение) в решетката зависи не само от периода на Браговата решетка, но и от температурата и механичните напрежения. За кварцовите влакна промяната в дължината на вълната на Браг за единица деформация е с около 20% по-малка от разтягането, тъй като има ефект на деформация върху намаляването на индекса на пречупване. Температурните ефекти са близки до очакваните само при термично разширение. Температурните и деформационните ефекти могат да бъдат различни при използване на различни технически средства (например при използване на референтна решетка, която не е подложена на деформация, или при използване на различни видове решетки от влакна), така че и двете стойности да се записват едновременно. За да се регистрира само деформация, разделителната способност достига няколко µe (т.е. относителната промяна в дължините на реда), докато точността е от същия порядък на малко. За динамични измервания (напр. акустични явления) се постига чувствителност, по-голяма от 1 meu на 1 Hz честотна лента.

Разпределено наблюдение

Други оптични сензори не използват влакна Браг решетки като сензори, като използват самото влакно като сензори. Сетивният принцип в тях се основава на ефекта на разсейването на Релей, разсейването на Раман или разсейването на Брилуен. Например, техника за рефлектометрия на оптична времева област, при която позицията на слабо отразена област може да се определи с помощта на импулсен звуков сигнал. Този метод се използва и за определяне на други величини като температура или напрежение като функция на честотното изместване на Брилуен.

В някои случаи измерената стойност е средна по цялата дължина на влакното. Този метод е типичен за някои температурни сензори, както и за интерферометри, базирани на ефекта на Саняк, използвани като жироскопи. В други случаи се измерват зависими от позицията величини (напр. температура или напрежение). Това се нарича разпределено наблюдение.

Квази-разпределено наблюдение

Някои влакна могат да съдържат серия от сензорни масиви (вижте по-горе) за наблюдение на температурата и разпределението на напрежението във влакното. Това се нарича квази-разпределено наблюдение. Има различни технически решения за адресиране само на една решетка (и по този начин точно определяне на позицията по протежение на влакното)

В една техника, наречена мултиплексиране с пълна дължина на вълната (WDM) или рефлектометрия с оптичен честотен домейн (OFDR), решетките имат малко по-различни дължини на вълната на Браг. Дължината на вълната на регулируемия лазер в интегратора може да бъде настроена към дължина на вълната, принадлежаща към определен тип решетка, а дължината на вълната на максимално отражение показва ефекта от деформация или, например, температура. В допълнение, широколентови източници на светлина, източници на светлина (напр. суперлуминесцентни източници) могат да се използват заедно с фотодетектор за сканиране по дължина на вълната (напр. базиран на влакнен резонатор на Фабри-Перо) или на базата на CCD спектрометър. Във всеки случай максималният брой на решетките, като правило, не надвишава 10-50, което е ограничено от диапазона на настройка на пропускателния капацитет на източника на светлина и необходимата разлика в дължините на вълната във влакнестите решетки.

Друга техника, наречена мултиплексиране с времево разделение (TDM), използва идентични решетки с ниско отражение, в които се изпращат къси светлинни импулси. Отраженията от различни решетки се записват по времето на тяхното пристигане. Времево разделение (TDM) често се използва във връзка с разделяне по дължина на вълната (WDM), за да се умножи броят на различните канали по стотици или дори хиляди пъти.

Други подходи

Освен описаните по-горе подходи, има много алтернативни методи. Ето някои от тях:

· Решетки на Браг с влакна могат да се използват в интерференционни оптични влакна, където се използват само като отражатели и измерват фазовото изместване в зависимост от разстоянието между тях.

· Има лазерни Bragg сензори, където сензорът за решетката е разположен в последното огледало на оптичния лазерен резонатор, базиран на влакно, легирано с ербий, което усеща изпомпване на светлина с дължина на вълната от 980 nm през влакното. Дължината на вълната на Браг, която зависи например от температурата или механичното напрежение, определя дължината на вълната на генериране. Този подход, който има много възможности за по-нататъшно развитие, обещава да даде високи резултати поради тясната спектрална лента, която е характерна за фибров лазер, и високата чувствителност.

· В някои случаи двойки решетки на Браг се използват като влакна за интерферометрите на Фабри-Перо, които могат да бъдат особено чувствителни към външни влияния. Интерферометърът на Фабри-Перо може да бъде направен и по различен начин, например, като се използва променлива въздушна междина във влакното.

· Дългопериодните решетки са особено интересни за изследване на няколко параметъра едновременно (например температура и напрежение) или по друг начин, за алтернативно определяне на деформация с много ниска чувствителност към температурни промени.

Области на използване

Дори и след няколко години на развитие, оптичните сензори все още не се радват на голям търговски успех, тъй като е трудно да се заменят технологиите, които се използват в момента, дори ако имат определени ограничения. Докато в някои приложения оптичните сензори се приемат като технология с голям потенциал и интересни възможности. Това е например работа в тежки среди, като например сондиране в устройства с високо напрежение или в микровълнови фурни. Сензорите за решетка на Bragg могат също да се използват, например, за наблюдение на условията вътре в крилата на самолета, във вятърни турбини, мостове, големи язовири, нефтени кладенци и тръбопроводи. Сградите с вградени оптични сензори понякога се наричат ​​„интелигентни структури“, където сензорите наблюдават деформацията в различни части на конструкцията и получават данни за тези промени, като износване, вибрации и др. Интелигентните дизайни са основната движеща сила за развитието на оптични сензори.

По материали от интернет енциклопедия www.rp-photonics.com

2.2 холандскиk въз основа на топлинно излъчване

Като устройства за измерване на температурата могат да се използват оптични сензори, базирани на топлинно излъчване, чиято същност е следната. Изследваното вещество излъчва топлинно излъчване при температури над 0 К поради топлинни вибрации на атоми и молекули. Енергията на радиацията се увеличава с повишаване на температурата, а дължината на вълната, при която излъчването е максимално, намалява. Съответно, за да определите температурата, можете да използвате формулата на Планк за енергията на топлинно излъчване на черно тяло при фиксирана дължина на вълната или в диапазона на дължината на вълната.

Основното предимство на този метод е възможността за измерване на високи температури без контакт. Светлинните детектори и оптичните влакна се избират в зависимост от диапазона на измерваните температури. Диапазонът на измерване на температурата за оптични сензори за радиация е в диапазона от 400 до 2000 ° C. При използване на оптични влакна, прозрачни за инфрачервени лъчи с дължина на вълната от 2 μm или повече, е възможно да се измерват дори по-ниски температури.

2.3 P-базиран сензорпоглъщане на светлина от полупроводник

Известни са и оптични сензори, чиято работа се основава на оптичните свойства на определени полупроводници. Използваният полупроводник има гранична дължина на вълната на оптичния абсорбционен спектър. За светлина с по-къса дължина на вълната от проводник, абсорбцията се засилва и с повишаване на температурата граничната дължина на вълната се придвижва към по-дълги дължини на вълната (около 3 nm / K). Когато лъч от източник на светлина с радиационен спектър в близост до определената граница на абсорбционния спектър се приложи към полупроводников кристал, интензитетът на светлината, преминаващ през фоточувствителната част на сензора, ще намалее с повишаване на температурата. Температурата може да бъде записана с помощта на изходния сигнал на детектора по посочения метод.

Използвайки този метод, можете да измервате температурата в диапазона от 30 до 300 ° C с грешка от ± 0,5 ° C.

2 .4 Сензор, базиран на флуоресценция

Този сензор е структуриран по следния начин. Флуоресцентно вещество се нанася върху крайната повърхност на оптичното влакно на фоточувствителната част. Флуоресцентното лъчение, генерирано от ултравиолетовите лъчи, провеждани от оптично влакно, се приема от същото влакно. Температурният сигнал се открива чрез изчисляване на съотношението на съответните стойности на интензитета на флуоресценцията за сигнал с дължина на вълната, която е силно зависима от температурата, към интензитета на сигнал с различна дължина на вълната, която е слабо зависима от температурата.

Диапазонът на температурите, измерени от такъв сензор, е в диапазона от -50 до 200 ° C с грешка от ± 0,1 ° C.

3. ТЕРМИЧНИ ПОКРИТИЯ

3.1 Обща информация за термичните покрития

Необходимостта от получаване на информация за температурното поле на повърхността на обекти със сложни геометрични форми доведе до появата на нови методи за измерване на температурата. По-специално, през последните години се отделя специално внимание на разработването на различни термични покрития на базата на специални багрила, нанесени върху изследваната повърхност и позволяващи едновременно получаване на информация за цялото температурно поле. Методът за индикация на температурата, използващ термочувствителни покрития, впечатлява със своята простота, рентабилност и широки възможности за измерване.

Използването на термочувствителни покрития е особено ефективно за изследване на разпределението на температурата в пещи за различни цели, включително за печене на скали при производството на минерални торове, в газови и парни турбини и др. Основни потребители са индустрията на строителните материали, производството на минерални торове, турбиностроенето, електронната и авиационната промишленост. Най-голям интерес представляват многопозиционните цветни термоиндикатори. Патентни изследвания с дълбочина на търсене от 20 години показват, че водещите страни в разработването на топлинни индикатори са Великобритания, САЩ, Франция, Германия и Япония. Установено е, че няма патенти за многопозиционни термоиндикатори, които се използват за управление на температурни полета. Има патенти от Германия, Великобритания, САЩ за термоиндикатори, които имат един цветен преход, който не може да се използва за контрол на температурните полета, а само за определяне на температурата в определена точка.

Има четири основни типа термични индикатори:

а) състави, които променят цвета си при определена температура, наречена критична или преходна температура;

б) състави, топящи се при определена температура;

в) течнокристални термични индикатори, в определен температурен диапазон, преминаващи в течнокристално състояние, което има свойството при лека промяна на температурата да променя структурата си, така че падащият върху тях светлинен лъч се разлага и се отразява с промяна в цвета.

г) луминесцентни композиции, чиято яркост или цвят на сиянието зависи от температурата.

Първият тип включва специални покрития, които включват чувствителни на топлина пигменти.

Вторият тип включва моливи, лакове, таблетки и др., Съдържащи компоненти, при разтопяване стават прозрачни.

Третият тип включва люминофори, които или "изгасват" при определена температура, или яркостта и цветът на сиянието им зависят строго от температурата.

Според техните физикохимични трансформации термичните индикатори се разделят на три групи: обратими, необратими и квазиобратими.

Реверсивните включват термични индикатори, които, променяйки цвета си при нагряване до температура на преход или по-висока, възстановяват първоначалния си цвят, когато температурата падне под критичната.

Необратими са тези, при които при нагряване възникват необратими процеси (химични или физични), в резултат на които първоначалният цвят след последващо охлаждане не се възстановява.

Термичните индикатори се наричат ​​квазиобратими, които, променяйки цвета си при нагряване до преходна температура или по-висока, го възстановяват с последващо намаляване на температурата постепенно под въздействието на влага. Могат да се използват многократно.

3.2 Променящи цвета покрития

По правило всички бои и лакове променят първоначалния си цвят (избледняват) при нагряване. Тук можете да се обърнете към класическата работа на S. I. Vavilov. Това нежелано явление обаче може да се използва като термометрично свойство. Разбира се, не всички вещества са подходящи за индикация на температурата. Термичните индикатори са само онези съединения, които бързо и ясно променят първоначалния си цвят при критична температура.

Към термичните показатели се налагат следните изисквания: цветовете на покритието преди и след излагане на критична температура трябва да се различават; промяната на цвета трябва да настъпи в тесен температурен диапазон и температурата на прехода трябва да е стабилна; промяната на цвета трябва да настъпи достатъчно бързо (за по-малко от 0,1 - 1 сек);не трябва да има вредно въздействие върху обекта на измерване; извършващите се трансформации не трябва да бъдат придружени от отделяне на вредни газове.

Според принципа на действие термочувствителните покрития могат да бъдат разделени на следните основни видове: покрития с химично взаимодействие на компонентите; покрития, в които компонентите се топят; повърхностно-градиентни покрития; термохромни покрития.

Топлинни индикатори с химично взаимодействие на компонентите. За този тип термични индикатори промяната в цвета на филмите е свързана с промяна в химичния състав или структурата на кристалната решетка на термочувствителните пигменти (промяна в киселинността, кристалната структура, протичането на реакции на дехидратация, термично разлагане и твърда фаза).

Има термични индикатори, които могат да променят цвета си многократно по време на нагряване; някои претърпяват до 12 промени в цвета. За тяхното производство се използват смеси от термочувствителни пигменти.

Значителен недостатък на тези пигменти е, че те разяждат металите, върху които се прилагат, тъй като тези метали реагират с йодиди, измествайки живака. В тази връзка при директното им нанасяне е необходимо да се защити металната повърхност или да се нанесе върху ленти, изработени от плат, хартия, неръждаемо фолио и др., които след това трябва да бъдат залепени към повърхността, която представлява интерес.

3.3. Термоиндикатори за топене и на базата на течни кристали

Топящи се покрития. Индикаторите за термично топене са материали, суспендирани в инертен разтворител или свързващо вещество. Произвеждат се под формата на термо моливи (пасли), термо лакове, термотаблети. Като индикаторни материали за нискотемпературни проби се използват восък, стеарин, парафин, а за средно- и високотемпературни - съединения на сяра, цинк, олово, мед и др.

Термичните моливи са термочувствителни пастели с калибрирани точки на топене. При измерване с термичен молив се полага риск върху изследваната повърхност, която се разтапя, когато повърхността достигне определена температура. Трябва да се има предвид, че по време на процеса на нагряване следите от молив постепенно променят цвета си. Въпреки това, за разлика от термочувствителните моливи, които променят цвета си при определена температура, промяната на цвета при този тип моливи не е сигнал, че повърхността е достигнала определена температура. За моливи за горещо стопяване стойността на температурата може да се получи само при промяна на агрегатното състояние (преход от твърдо към течно).

Термолакът се състои от вещества, подобни по състав на индикаторните вещества на топящите се термомоливи. Тези вещества са суспендирани в химически инертен разтворител. Лакът образува грубо, непрозрачно покритие на повърхността. При определена температура филмът се топи, за да образува лъскава оцветена или прозрачна повърхност.

Върху работната повърхност се поставят термоиндикаторни таблетки (или прах) със същия състав като моливи и лакове. Появата на признаци на топене по линията на контакт на таблетката (праха) с повърхността показва, че повърхността е достигнала определена температура. Тези термични индикатори са необратими.

Топлинни свидетели. Този тип температурен индикатор включва плочи (кубчета), изработени от чист метал или сплав с калибрирана точка на топене. При определяне на температурата комплект от тези кубчета се нанизва на огнеупорна тел, която е закрепена в необходимата зона. Когато се достигне определена фиксирана температура, кубът се топи, което показва, че тази температура е достигната. Чрез промяна на състава на веществата е възможно да се получат термични тестери за много значителен температурен диапазон. Термичните свидетели могат да включват и специални стикери - парчета пластмаса, които стават черни в температурния диапазон от 100-500 ° C. Точността, с която можете да записвате температурата с тези стикери, е необратими термични индикатори.

Повърхностно - градиентни покрития. Този тип термични индикатори са съставени от така наречените течни кристали. Някои органични съединения образуват течни кристали, които едновременно притежават свойствата на течност (висока течливост, способност да са в капкообразно състояние) и твърдо кристално тяло (анизотропия).

Течните кристали на стерол (холестерол) могат да се използват като термични индикатори. Когато температурата се промени със стотни от градуса, светлината, отразена от течнокристалното покритие, драстично променя спектралния състав.

Течните кристали на холестерола имат спирална усукана структура; това, очевидно, обяснява тяхната силна оптична активност.

Течните кристали са два вида: кристали (включително холестерол), чийто вискозитет е близък до вискозитета на водата, и кристали, чийто вискозитет е около 10 пъти по-висок. Течните кристали образуват органични съединения, чиито молекули имат удължена пръчковидна форма.

Обикновено термичните индикаторни течни кристали се образуват от холестеролни естери.

Но има термочувствителни течни кристали, които не са свързани с холестеролните съединения.

3.4 Луминесцентни покрития

Луминесцентните вещества - фосфорите - са вещества, които могат да излъчват светлина под въздействието на различни видове възбуждения.

Самата дума "луминофори" не е свързана с температурата ("лумен" - светлина, "форос" - носител), но при този тип термични индикатори се оказа възможно да се използва като термометрично свойство като цяло нежеланата зависимост на някои от техните характеристики по отношение на температурата. Първо, промяната в яркостта на сиянието с постоянно възбуждане на фосфора и тази зависимост може да бъде много остра. Например, смес от цинкови и кадмиеви сулфиди, активирани със сребро (ZnSCdS * Ag), променя излъчвателната си способност с 20%, когато температурата се промени с 1 ° C. Второ, за всеки люминофор има строго определена температура, при която той престава да свети, а за познатите вещества температурният диапазон е много широк. Например, за оловен барий, активиран с волфрам (BaPb * W), тази температура е минус 100 ° C, а за алуминиев оксид, активиран с хром (синтетичен рубин Al2O3 * Cr), достига 1000 ° C. Трето, рязка промяна в цвета на сиянието. Например, цинковият сулфид, активиран от манган (ZnS * Mn), който свети синьо при стайна температура, излъчва жълто сияние при 90 ° C. Четвърто, промяна на цветовия тон на сиянието. Тази зависимост има за голяма група фосфори.

За индикация на температурата като правило се използват фотолуминофори (възбуждане с ултравиолетова и видима светлина), което е свързано с по-голямата наличност на източника на възбуждане. Оптималният източник на възбуждане е ултравиолетовото лъчение с дължина на вълната 0,365 микрон 2 .

Флуоресцентните вещества, използвани като термични индикатори, могат да бъдат органични багрила, например родамин.

и неорганични, например цинков сулфид или негова смес с кадмиев сулфид.

Въпреки това, по-често вещества с фосфоресциращи свойства се използват за обозначаване на температурата. Това са силно кристални материали, които се обозначават с формули от типа MeR * A (MeR - фосфорна основа; A - активатор). Например, в допълнение към вече споменатите по-горе вещества за тези цели се използва ZnS (48) CdS (52) * Ag (0,01) - смес от цинкови и кадмиеви сулфиди, активирани със сребро (в скоби тегловното съдържание на компонентите са дадени в проценти); ZnS (60) ZnSe (40) - цинков сулфид с цинков селенид; ZnS (60) ZnSe (40) * Ag (0,005) - смес от цинков сулфид с цинков селенид, активиран със сребро; ZnS (60) ZnSe (40) * Cu (0,005) - смес от цинков сулфид с цинков селенид, активиран от мед; ZnS (88) Cd (12) * Cu (0,008) - смес от цинкови и кадмиеви сулфиди, активирани от мед; ZnS * Ag (0,01) * Cu (0,005) - цинков сулфид, активиран със сребро и мед; ZnS * Mn (0,06) е цинков сулфид, активиран от манган. Чрез промяна на състава на фосфорната основа и особено на активатора и неговата концентрация е възможно да се получи необходимата температурна зависимост от интензитета на сиянието, тона на цвета, както и критичната температурна стойност, при която фосфорът спира да свети или рязко променя цвят на сияние.

Когато фосфорът е възбуден, енергията се абсорбира както на нивата на активатора, така и в основното вещество на фосфора. В първия случай се възбуждат електроните на атома на активатора. Връщането им в основно състояние е придружено от излъчване на светлина с дължина на вълната, характерна за дадения активатор. При този тип фосфор, наречен характеристичен, електронните преходи, свързани с абсорбцията и излъчването на енергия, се случват вътре в активиращия йон, който е включен в кристалната решетка на фосфорната основа. Този клас люминофори се характеризира с експоненциален закон на разпад.

Във втория случай енергията, погълната от фосфорната основа, се прехвърля към йоните на активатора. Процесът на пренос на енергия се осъществява чрез пренос на електрони и дупки, а излъчването възниква в резултат на рекомбинация на свободни електрони с всеки център на луминесценция. Този клас люминофори се характеризира със сложен закон за разпадане на луминесценцията. Първият краткосрочен етап от процеса на затихване протича по експоненциалния закон, а на следващия етап затихването продължава по хиперболичния закон. В този регион интензитетът на светене зависи от температурата. Люминофорите са обратими термични индикатори.

Фосфорните форми започват да се използват за индикация на температурата през 50-те години. Първите фотолуминесцентни пигменти са разработени в Германия между 1940 и 1942 г. През 1945 г. за първи път се обсъжда метод за производство на флуоресцентни пигменти в Съединените щати. През следващите години тяхното развитие и производство се развиват с бързи темпове. В Англия и Франция фосфорът се появява по-късно. Производството на фосфор е добре развито в Япония. американска компания Ийстман кодакпроизвежда редица люминофори за доста широк температурен диапазон с висока чувствителност: когато температурата се промени с 1 ° C, яркостта на сиянието се променя с 20%. американска фирма НАС. Радийпроизвежда фосфор, покриващ температурния диапазон от 25-400 ° C. Тяхната чувствителност също е висока. Например, за един от тях, работещ в диапазона 25-70 ° С, 25% спад в яркостта на сиянието съответства на промяна на температурата от 1 ° С.

Високата чувствителност на този тип термични индикатори, тяхното безинерционно поведение е несъмнено предимство на фосфора. Въпреки това, в сравнение с другите изброени видове, те имат значителни недостатъци:

а) необходимостта от облъчване на покритието с ултравиолетова светлина, което само по себе си не създава затруднения, но изисква източник на ултравиолетово лъчение;

б)необходимостта от поддържане на постоянен интензитет на възбуждащия поток, тъй като яркостта на сиянието на фосфора зависи от възбуждането;

в) необходимостта от записване на промяната в луминесценцията върху филма, тъй като люминофорите са обратими термични индикатори, което също изисква използването на допълнително оборудване.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Прегледът на информацията за методите за измерване на луминесцентна температура, представен в тази работа, дава право да се твърди, че тези методи са обещаващи и търсени.

Луминесцентните методи за измерване на температурата се основават на температурната зависимост на интензитета на луминесцентното излъчване на някои люминофори. Това свойство е в основата на работата на луминисцентни оптични сензори и термични покрития.

В сравнение с други видове сензори, оптичните сензори предлагат редица предимства. Той е електрически неутрален, устойчив на корозия, устойчив на електромагнитни смущения.

Въпреки че флуоресцентните оптични сензори са по-трудни за използване, те осигуряват по-точни показания от другите видове сензори.

Термичните покрития позволяват едновременно получаване на информация за температурното поле върху повърхности със сложни геометрични форми.

Този метод се използва широко в авиационната и космическата, химическата и други индустрии. Термичните покрития са доста лесни за използване и осигуряват висока точност на измерване (25% спад в яркостта на сиянието може да съответства на промяна на температурата от 1 ° C), а също така са безинерционни, което е много важна характеристика при измерване температура.

От горния преглед е очевидно, че има нужда от по-нататъшно развитие и усъвършенстване на технологиите за измерване на температурата с луминесцентни методи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамович Б.Г. Топлинни индикатори и тяхното приложение. - М .: Енергия, 1972.

2. Голяма съветска енциклопедия, (електронна версия).

3. Ландсберг Г.С. Оптика. Москва: Наука, 1976.

4. Lineweg F. Измерване на температурите в технологиите. Указател. Пер. от немски, М .: Металургия, 1980

Публикувано на Allbest.ru

...

Подобни документи

    Техники, използвани за измерване на температурата на пламъка: контактна - с помощта на термоелектрически термометър и безконтактна - оптична. Инсталация за измерване. Перспективи за използване на безконтактни оптични методи за измерване на температурата на пламъка.

    курсова работа е добавена на 24.03.2008 г

    Основните скали за измерване на температурата. Максимална и минимална стойност при земни условия. Температура на човешкото местообитание. Температурен фактор на територията на Земята. Разпределение на температурата в различни области на тялото при студени и топли условия.

    Докладът е добавен на 18.03.2014 г

    Разработване и усъвършенстване на технологии за измерване на температура с луминисцентни, контактни и безконтактни методи. Международна температурна скала. Създаване на алкохолни, живачни, манометрични и термоелектрически термометри.

    курсовата работа е добавена на 07.06.2014 г

    Инструменти за измерване на температура. Характеристики на термоелектричните преобразуватели. Принципът на действие на пирометрите за спектрално отношение. Уреди за измерване на манометър и абсолютно налягане. Видове течни, деформационни и електрически манометри.

    урок, добавен на 18.05.2014

    Понятието и източниците на топлинно излъчване, неговите закони. Класификация на пирометричните методи и устройства за измерване на температури. Устройството и принципът на работа на пирометъра OPIR-09, методът на неговата проверка, възможни повреди и техният ремонт.

    курсова работа, добавена на 12/02/2012

    Характеристика на величина, характеризираща топлинното състояние на тялото или мярка за неговото "нагряване". Причина за Брауновото движение. Родоначалникът на съвременните термометри, техните видове. Температурни единици, видове скали. Експеримент за направата на термоскоп.

    Презентацията е добавена на 14.01.2014 г

    Основна информация за температурата и температурните скали, възможността за измерване. Използването на термометри в практиката и изискванията за измервателни уреди, които са част от държавните стандарти за съответните температурни диапазони.

    резюме, добавен на 27.03.2009

    Общи положения на теорията на луминесценцията. Възпламеняване и затихване на луминесценцията. Зависимост на интегралната и моментната яркост на електролуминесценцията от напрежение, честота, температура. Инфрачервено действие върху фосфора. Електрофотолуминесценция.

    дисертация, добавена на 05.04.2008г

    Определяне на линеен топлинен поток по метода на последователните приближения. Определяне на температурата на стената от страната на водата и температурата между слоевете. Графика на промяната на температурата по време на пренос на топлина. Числата на Рейнолдс и Нузелт за газове и вода.

    тест, добавен на 18.03.2013

    Техника за числено решение на нестабилни задачи за топлопроводимост. Изчисляване на разпределението на температурата в напречното сечение на гредата чрез явни и неявни методи. Начално разпределение на температурата в твърдо вещество (временни гранични условия). Предимства на имплицитния метод.

Въведение
Високопроизводителната, икономична и безопасна работа на технологичните звена на машиностроителната индустрия изисква използването на съвременни методи и средства за измерване на величини, характеризиращи хода на производствения процес и състоянието на оборудването.
Основните параметри (количества), които трябва да се следят по време на работа на агрегатите, са температурата на различните среди; консумация, налягане, състав на газове и течности; състав на метали; геометрични размери на валцувани продукти. Автоматичните устройства измерват температурата: в работните пространства на металургичните пещи, разтопен и нагрят метал, елементи от огнеупорна зидария, дизайн на регенератори и рекуператори, както и продукти от горенето на горивото.
В историята на развитието на световната технология могат да се разграничат три основни направления: създаването на машинни двигатели (водни, вятърни, парни, с вътрешно горене, електрически), които освобождават човек от тежък физически труд; създаване на металорежещи машини, т.е. машини и технологично оборудване за различни цели; създаване на устройства за наблюдение и управление на двигатели, машини и технологични процеси.

Глава 1. Методи и технически средства за измерване на температурата
1.1 Измерване на температурата
Има два основни начина за измерване на температурите - контактен и безконтактен. Контактните методи се основават на директен контакт на преобразувателя за измерване на температурата с изследвания обект, в резултат на което се постига състояние на топлинно равновесие между преобразувателя и обекта. Този метод има свои собствени недостатъци. Температурното поле на обекта се изкривява, когато в него се въведе термичен детектор. Температурата на трансдюсера винаги е различна от действителната температура на обекта. Горната граница на измерване на температурата е ограничена от свойствата на материалите, от които са направени температурните сензори. Освен това редица проблеми с измерването на температурата в недостъпни обекти, въртящи се с висока скорост, не могат да бъдат решени чрез контактния метод.
Безконтактният метод се основава на възприемането на топлинната енергия, предавана чрез излъчване и възприемана на определено разстояние от изследвания обем. Този метод е по-малко чувствителен от контактния. Температурните измервания са силно зависими от възпроизвеждането на условията на калибриране по време на работа и в противен случай се появяват значителни грешки. Устройство, използвано за измерване на температура чрез преобразуване на нейните стойности в сигнал или индикация, се нарича термометър (GOST 13417-76),
Според принципа на действие всички термометри са разделени на следните групи, които се използват за различни температурни диапазони:
1 Термометри за разширение от -260 до +700 ° C, базирани на промяна в обема на течности или твърди вещества с промяна на температурата.
2 Габаритни термометри от -200 до +600 ° C, които измерват температурата според зависимостта на налягането на течност, пара или газ в затворен обем от промяна на температурата.
3. Термометрите за електрическо съпротивление са стандартни от -270 до +750°С, като преобразуват температурните промени в промени в електрическото съпротивление на проводници или полупроводници.
4. Термоелектрични термометри (или пирометри), стандартни от -50 до +1800 ° C, чието преобразуване се основава на зависимостта на стойността на електродвижещата сила от температурата на свързване на различни проводници.
Радиационни пирометри от 500 до 100 000 ° C, базирани на измерване на температурата чрез стойността на интензитета на излъчваната енергия от нагрето тяло,
Термометри, базирани на електрофизични явления от -272 до +1000 ° C (термоелектрически преобразуватели с термичен шум, обемни резонансни термични преобразуватели, ядрен резонанс
1.2 Методи за измерване на температурата
За да се определи температурната стойност на всяко тяло, е необходимо да се избере температурен стандарт, тоест тяло, което при определени условия, равновесно и сравнително лесно възпроизводимо, би имало определена температурна стойност. Тази температурна стойност е референтната точка на съответната температурна скала - подредена последователност от температурни стойности, която ви позволява да определите количествено температурата на определено тяло. Температурната скала ви позволява косвено да определите температурата на тялото чрез директно измерване на всеки от неговите физически параметри, в зависимост от температурата.
Свойствата на водата се използват най-често при получаване на температурна скала. Точките на топене на леда и кипене на водата при нормално атмосферно налягане са избрани като референтни точки в съвременните (но не непременно оригинални) температурни скали, предложени от Андерс Целзий (1701 - 1744), Рене Антоан Фершо Реомюр (1683 - 1757), Даниел Габриел Фаренхайт (1686 - 1736). Последните създават първите практически подходящи алкохолни и живачни термометри, които се използват широко и до днес. Температурните скали на Reaumur и Fahrenheit в момента се използват в САЩ, Великобритания и някои други страни.
Температурната скала по Целзий, въведена през 1742 г., която предлага температурния интервал между температурите на топещия се лед и врящата вода при нормално налягане (1 атм или 101 325 Ра), разделени на сто равни части (градуса по Целзий), се използва широко днес, макар и в рафинирана форма, когато един градус по Целзий се счита за равен на един келвин (виж по-долу). В този случай температурата на топене на леда се приема за 0 oC, а точката на кипене на водата става приблизително равна на 99,975 oC. Получените корекции по правило не са значителни, тъй като повечето от използваните алкохолни, живачни и електронни термометри нямат достатъчна точност (тъй като това обикновено не е необходимо). Това дава възможност да се игнорират посочените, много малки корекции.
След въвеждането на Международната система от единици (SI), се препоръчват за използване две температурни скали. Първата скала е термодинамична, която не зависи от свойствата на използваното вещество (работна течност) и се въвежда чрез цикъла на Карно. Тази температурна скала е разгледана подробно в трета глава. Отбелязваме само, че мерната единица за температура в тази температурна скала е един келвин (1 K), една от седемте основни единици в системата SI. Тази единица е кръстена на английския физик Уилям Томсън (лорд Келвин) (1824-1907), който разработи тази скала и запази стойността на температурната единица същата като в температурната скала на Целзий. Втората препоръчителна температурна скала е международната практика. Тази скала има 11 референтни точки - температурите на фазовите преходи на редица чисти вещества и стойностите на тези температурни точки непрекъснато се усъвършенстват. Единицата за измерване на температурата в международната практическа скала също е 1 К.
Понастоящем основната референтна точка както на термодинамичната скала, така и на международната практическа температурна скала е тройната точка на водата. Тази точка съответства на строго определени стойности на температура и налягане, при които водата може да съществува едновременно в твърдо, течно и газообразно състояние. Освен това, ако състоянието на термодинамична система се определя само от стойностите на температурата и налягането, тогава може да има само една тройна точка. В системата SI температурата на тройната точка на водата се приема за 273,16 K при налягане от 609 Pa.
В допълнение към определянето на референтни точки, определени с помощта на температурен стандарт, е необходимо да се избере термодинамично свойство на тялото, което се описва с физическа величина, промяната в която е знак за промяна на температурата или термометричен знак. Това свойство трябва да бъде доста лесно възпроизводимо, а физическото количество трябва лесно да се измерва. Измерването на посочената физическа величина дава възможност да се получи набор от температурни точки (и съответните температурни стойности), междинни по отношение на референтните точки.
Тялото, с помощта на измерване на термометричната характеристика, на която се измерва температурата, се нарича термометрично тяло.
Термометричните признаци могат да бъдат промени: обемът на газ или течност, електрическото съпротивление на телата, разликата в електрическия потенциал на границата между две проводящи тела и др. RTD или термодвойка като сензор.
Чрез привеждане на термометрично тяло (сензор на термометър) в състояние на термичен контакт с тялото, чиято температура трябва да бъде измерена, е възможно въз основа на нулевия принцип на термодинамиката да се твърди, че след време, достатъчно за установяване на термодинамично равновесие, температурите им ще станат равни. Това позволява на тялото да бъде зададена същата температурна стойност като на термометъра.
Друг метод за измерване на температурата е реализиран в пирометрите - устройства за измерване на яркостната температура на телата по интензитета на тяхното топлинно излъчване. В този случай се постига равновесно състояние на термодинамичната система, състояща се от самия пирометър и полученото от него топлинно излъчване. Това явление е разгледано по-подробно в раздела на курса, посветен на квантовите свойства на равновесното топлинно излъчване. Засега ще отбележим само, че оптичната пирометрия (безконтактни методи за измерване на температурата) се използва в металургията за измерване на температурата на стопилката и валцуваните продукти, в лабораторни и промишлени процеси, където е необходимо да се измерва температурата на нагрятите газове, т.к. както и в плазмените изследвания.
Първият термометър е изобретен от Галилео Галилей (1564 - 1642) и е газов термометър.
Газов термометър с постоянен обем се състои от термометрично тяло - част от газ, затворена в съд, свързана с тръба към манометър. Измерената физическа величина (термометрична характеристика), която осигурява определяне на температурата, е налягането на газа при определен фиксиран обем. Постоянството на обема се постига от факта, че чрез вертикално движение на лявата тръба нивото в дясната тръба на манометъра се довежда до същата стойност (референтен знак) и в този момент разликата във височините на нивата на течността в манометърът се измерва. различни корекции (например термично разширение на стъклени части на термометър, адсорбция на газ и др.) Ви позволява да постигнете точност на измерване на температурата с газов термометър с постоянен обем, равен на една хилядна от Келвин.
Газовите термометри имат предимството, че температурата, определена с тяхна помощ, при ниска плътност на газа, не зависи от естеството на използвания газ, а скалата на газовия термометър съвпада добре с абсолютната температурна скала (тя ще бъде разгледана подробно по-долу) . Във втората глава ще опишем по-подробно идеалния газов термометър, който определя абсолютната температурна скала.
Газовите термометри се използват за калибриране на други видове термометри, като течни термометри. Те са по-удобни на практика, но скалата на течен термометър, калибриран спрямо газов, по правило се оказва неравномерна. Това се дължи на факта, че плътността на течностите зависи нелинейно от тяхната температура.
Течният термометър е най-често използваният термометър в ежедневието, базиран на промяната в обема на течността при промяна на температурата. В живачно-стъкления термометър термометричното тяло е живак, поставен в стъклен балон с капиляр. Термометричната характеристика е разстоянието от менискуса на живака в капиляра до произволна фиксирана точка. Живачните термометри се използват в температурен диапазон от -35 oC до няколкостотин градуса по Целзий. При високи температури (над 300 oC) в капиляра се изпомпва азот (налягане до 100 atm или 107 Pa), за да се предотврати кипенето на живака. Използването на талий в течен термометър вместо живак може значително да намали долната граница на измерване на температурата до -59 oC.
Други често срещани течни термометри са алкохолни термометри (-80 oC до +80 oC) и пентанови (-200 oC до +35 oC). Имайте предвид, че водата не може да се използва като термометрично тяло в течен термометър: обемът на водата с повишаване на температурата първо пада и след това нараства, което прави невъзможно използването на обема на водата като термометричен индикатор.
С развитието на измервателната техника най-удобните технически видове термометри станаха тези, при които електрическият сигнал е термометричен знак. Това са термични съпротивления (метални и полупроводникови) и термодвойки.
В метален термометър за съпротивление измерването на температурата се основава на явлението нарастване на съпротивлението на метала с повишаване на температурата. За повечето метали близо до стайна температура тази зависимост е близка до линейна, а за чистите метали относителната промяна в тяхното съпротивление с повишаване на температурата с 1 K (температурен коефициент на съпротивление) има стойност близка до 4 * 10-3 1 / К. Термометричният знак е електрическото съпротивление на термометрично тяло - метална тел. Най-често се използва платинена тел, както и медна тел или техните различни сплави. Обхватът на приложение на такива термометри е от температури на водород (~ 20 K) до стотици градуса по Целзий. При ниски температури в металните термометри зависимостта на съпротивлението от температурата става значително нелинейна и термометърът изисква внимателно калибриране.
В полупроводников термометър за съпротивление (термистор) измерването на температурата се основава на феномена на намаляване на съпротивлението на полупроводниците с повишаване на температурата. Тъй като температурният коефициент на съпротивление на полупроводниците в абсолютна стойност може значително да надвиши съответния коефициент на метали, тогава чувствителността на такива термометри може значително да надвиши чувствителността на металните термометри.
Специално изработените полупроводникови RTD могат да се използват при ниски (хелиеви) температури от порядъка на няколко келвина. Трябва обаче да се има предвид, че дефекти възникват в конвенционалните полупроводникови съпротивления поради ефекта на ниските температури. Това води до влошаване на възпроизводимостта на резултатите от измерването и налага използването на специално подбрани полупроводникови материали в термосъпротивленията.
Друг принцип на измерване на температурата е реализиран в термодвойките. Термодвойка е електрическа верига, която е запоена от два различни метални проводника, единият възел на който е при измерената температура (измервателен възел), а другият (свободен преход) при известна температура, например при стайна температура. Поради температурната разлика на връзките възниква електродвижеща сила (термо-EMF), чието измерване дава възможност да се определи температурната разлика на връзките и следователно температурата на измервателния възел.
В такъв термометър термометричното тяло е съединението на два метала, а термометричната характеристика е термо-EMF, възникваща във веригата. Чувствителността на термодвойките е от единици до стотици μV / K, а диапазонът на измерените температури е от няколко десетки келвин (температура на течен азот) до една и половина хиляди градуса по Целзий. За високи температури се използват термодвойки от благороден метал. Най-широко използваните термодвойки са на базата на спойки от следните материали: мед-константан, желязо-константан, хромел-алумел, платина-родий-платина.
Трябва да се отбележи, че термодвойката е в състояние да измерва само температурната разлика между измервателния и свободния възел. Свободното съединение обикновено се намира при стайна температура. Следователно, за да се измери температурата с термодвойка, е необходимо да се използва допълнителен термометър за определяне на стайната температура или система за компенсация за промяна на температурата на свободния възел.
В радиотехниката често се използва концепцията за шумова температура, равна на температурата, до която трябва да се нагрее резистор, съпоставен с входния импеданс на електронно устройство, така че мощността на топлинния шум на това устройство и резистора да е равна в определен честотен диапазон. Възможността за въвеждане на такова понятие се дължи на пропорционалността на средната мощност на шума (средноквадратично напрежение на шума през електрическото съпротивление) към абсолютната температура на съпротивлението. Това позволява шумовото напрежение да се използва като термометричен индикатор за измерване на температурата. Шумовите термометри се използват за измерване на ниски температури (под няколко келвина), както и в радиоастрономията за измерване на радиационната температура (яркост) на космическите обекти.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ НА ПРИНЦИПА НА БЕЗКОНТАКТЕН МЕТОД ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ТЕМПЕРАТУРА
Термоелементите са последователни термодвойки, които използват добре познатия ефект на Seebeck. Термодвойка се състои от два електропроводими материала, които са подредени под формата на проводими пътеки и които са в контакт помежду си в една точка (т.нар. горещ възел). Ако поради външно влияние има температурна разлика между точката на контакт (горещ преход) и двата отворени края (студен преход), тогава в двата края на термоелементите ще се появи напрежение от няколко миливолта.
При безконтактния метод за измерване на температурата, повишаването на температурата на горещата точка на свързване се причинява от поглъщането на инфрачервеното лъчение, влизащо в тази точка. Всеки обект излъчва инфрачервена светлина и енергията на тази светлина се увеличава с повишаване на температурата на обекта. Въз основа на този ефект модулите Thermopile измерват излъчената мощност и по този начин определят температурата на обекта с висока точност.
2.1 Измерване на луминесцентна температура
измерване на температура флуоресцентно безконтактно
Луминесцентните методи за измерване на температурата се основават на температурната зависимост на интензитета на луминесцентното излъчване на някои люминофори, което се използва в различни температурни сензори и термични покрития.
Съвременните оптични сензори могат да измерват много характеристики на лабораторни и промишлени съоръжения, по-специално температура. Въпреки факта, че използването им е доста трудоемко, то предоставя редица предимства, използвайки такива сензори на практика:
неиндукция (т.е. нечувствителност към влиянието на електромагнитна индукция); малък размер на сензорите, еластичност, механична якост, висока устойчивост на корозия и др.
1. Сензор, базиран на топлинно излъчване. Като устройства за измерване на температурата могат да се използват оптични сензори, базирани на топлинно излъчване, чиято същност е разкрита по-специално, както следва. Изследваното вещество излъчва топлинно излъчване при температури над 0 К поради топлинни вибрации на атоми и молекули. Енергията на радиацията се увеличава с повишаване на температурата, а дължината на вълната, при която излъчването е максимално, намалява. Съответно, за да определите температурата, можете да използвате формулата на Планк за енергията на топлинно излъчване на черно тяло при фиксирана дължина на вълната или в диапазона на дължината на вълната.
Основното предимство на този метод е възможността за измерване на високи температури без контакт. Светлинните детектори и оптичните влакна се избират в зависимост от диапазона на измерваните температури. Диапазонът на измерване на температурата за оптични сензори за радиация е в диапазона от 400 до 2000 ° C. При използване на оптични влакна, прозрачни за инфрачервени лъчи с дължина на вълната от 2 μm или повече, е възможно да се измерват дори по-ниски температури.
2. Сензор, базиран на поглъщане на светлина от полупроводник. Известни са и оптични сензори, чиято работа се основава на оптичните свойства на определени полупроводници. Използваният полупроводник има гранична дължина на вълната на оптичния абсорбционен спектър. За светлина с по-къса дължина на вълната от проводник, абсорбцията се засилва и с повишаване на температурата граничната дължина на вълната се придвижва към по-дълги дължини на вълната (около 3 nm / K). Когато лъч от източник на светлина с радиационен спектър в близост до определената граница на абсорбционния спектър се приложи към полупроводников кристал, интензитетът на светлината, преминаващ през фоточувствителната част на сензора, ще намалее с повишаване на температурата. Температурата може да бъде записана с помощта на изходния сигнал на детектора по посочения метод.
Използвайки този метод, можете да измервате температурата в диапазона от 30 до 300 ° С с грешка от ± 0,5 ° С.
3. Сензор на базата на флуоресценция. Този сензор е структуриран по следния начин. Флуоресцентно вещество се нанася върху крайната повърхност на оптичното влакно на фоточувствителната част. Флуоресцентното лъчение, генерирано от ултравиолетовите лъчи, провеждани от оптично влакно, се приема от същото влакно. Температурният сигнал се открива чрез изчисляване на съотношението на съответните стойности на интензитета на флуоресценцията за сигнал с дължина на вълната, която е силно зависима от температурата, към интензитета на сигнал с различна дължина на вълната, която е слабо зависима от температурата.
Диапазонът на температурите, измерени от такъв сензор, е в диапазона от -50 до 200 ° C с грешка от ± 0,1 ° C.
Използването на оптични сензори, въпреки цялата си привлекателност, позволява измерването на температурата само в локалната точка на обекта, което донякъде стеснява обхвата на тяхното приложение.
Заключение
Температурата е един от основните параметри, които трябва да се контролират от автоматични системи за управление на металургичните процеси. В корозивна среда и високи температури фотоелектричните пирометри са най-подходящи за употреба. Те ви позволяват да контролирате температурата от 100 до 6000 0C и повече. Едно от основните предимства на тези устройства е липсата на влияние на температурното поле на нагрето тяло върху измервателния уред, тъй като по време на процеса на измерване те не влизат в пряк контакт един с друг. Също така, фотоелектричните пирометри осигуряват непрекъснато автоматично измерване и регистриране на температурата, което им позволява да се използват в автоматични системи за управление на процеса без допълнителни разходи за закупуване и поддръжка на интерфейсни устройства.
Прегледът на луминесцентните методи за измерване, представен в тази работа
температурата в сравнение с контактните методи има същите предимства като оптичните методи. В същото време е по-малко сложен в организирането на процеса на изследване на температурата и не по-малко точен в сравнение с други оптични методи. В допълнение, използването на свойствата на луминесценцията прави възможно разработването на методи за измерване на температурните полета на обекти със сложни геометрични форми.
От горния преглед е очевидно, че има нужда от по-нататъшно развитие и усъвършенстване на технологиите за измерване на температурата с луминесцентни методи.

Библиография
1. Преображенски В. П. Топлинни измервания и инструменти. М .: Енергия, 1978, - 704 с
2. Чистяков С.Ф., Радун Д.В. Топлотехнически измервания и инструменти. М .: Висше училище, 1972, - 392
3. Измервания в индустрията: Реф. Изд.
4. Никоненко В. А., Силд Ю. А., Иванов И. А. Метрологични поддържащи системи за измерване на термовизионни устройства. - Измервателна техника
5. Акилбаев Ж. С. Нови оптични методи за изследване на топло- и масопреноса. Алмати: Gylym, 1995.
6. Голяма съветска енциклопедия, (електронна версия).
7. Годжаев Н. М. Оптика. Обучение Наръчник за университети. М.: По-високо. Училище, 1977 г.
8. Карицкая С. Г. Диагностика на температурни и скоростни полета по луминесцентни методи. Diss. за степен доктор. н., 1997г.
9. Landsberg GS Optics. Москва: Наука, 1976.
10. Lineweg F. Измерване на температурите в технологиите. Указател. Пер. от него., М .: Металургия, 1980.
11. v и др. Оптични сензори. Пер. от Япония. Л.: Енергоктомиздат. Ленинград. отние, 1991.
12. Яворски Б.М., Детлаф А.А. Наръчник по физика. Москва: Наука, 1971.

За управление на нагряването на електрическо оборудване се използват четири метода за измерване: метод на термометъра, метод на съпротивление, метод на термодвойка и инфрачервен метод.

Метод на термометър използва се за измерване на температурата на достъпни повърхности. Те използват термометри от живак, алкохол и толуен, потопени в специални гилзи, херметически вградени в капаците и корпусите на оборудването. Живачните термометри имат по-висока точност, но не се препоръчва използването им при наличие на електромагнитни полета поради високата грешка, внесена от допълнителното нагряване на живак от вихрови токове.

Ако е необходимо измервателният сигнал да се предаде на разстояние от няколко метра (например от топлообменника в капака на трансформатора до нивото от 2 ... 3 m от земята), се използват термометри от манометричен тип, например термичните аларми TCM-10. Устройството се състои от термоцилиндър и куха тръба, свързваща цилиндъра с пружината на индикационната част на устройството. Устройството е напълнено с течен метил и неговите пари. Когато измерената температура се промени, налягането на парите на метилхлорида се променя, което се предава на стрелката на устройството. Предимството на манометричните инструменти се крие в тяхната вибрационна стабилност.

Метод на съпротива въз основа на отчитане на промяната в стойността на съпротивлението на метален проводник от неговата температура.

За мощни трансформатори и синхронни компенсатори се използват термометри с индикатор тип габарит. Общ изглед (а) и схема на свързване (б) такъв термометър е показан на фиг. 3.1. В зависимост от температурата течността, запълваща измервателната сонда на уреда, действа през свързващата капилярна тръба и системата от лостове върху стрелката на показалеца.

Ориз. 3.1. Дистанционен електротермометър от тип габарит: а - обща форма; б - схема на свързване; 1 и 2 - сигнални контакти; 3 - реле

В такъв термометър стрелките на показалеца имат контакти 1 и 2 за сигнализиране на зададената температура. Когато контактите са затворени, съответното реле се активира 3 в сигналната верига. За измерване на температурата в отделни точки на синхронните компенсатори (в жлебовете за измерване на стомана, между прътите на намотките за измерване на температурата на намотките и други точки) се монтират термистори. Съпротивлението на резисторите зависи от температурата на нагряване в точките на измерване. Термисторите са изработени от платина или медна тел, техните съпротивления се калибрират при определени температури (при температура от O ° C за платина, съпротивлението е 46 Ohm, за мед - 53 Ohm; при температура от 100 ° C за

платина - 64 ома, за мед - съответно 75,5 ома).

Ориз. 3.2. Верига за измерване на температура с помощта на термистор

Такъв термистор R4 е включен в рамото на моста, сглобено от резистори (фиг. 3.2). Към единия от диагоналите на моста е свързан източник на захранване, а към другия - измервателно устройство. Резисторите R1 ... R4 в рамената на моста са избрани по такъв начин, че при номиналната температура мостът е в равновесие и няма ток във веригата на устройството. Когато температурата се отклони в която и да е посока от номиналната, съпротивлението на термистора R4 се променя, балансът на моста се нарушава и стрелката на устройството се отклонява, показвайки температурата на измерената точка. На същия принцип се основава и преносимо устройство (фиг. 3.3). Преди измерване стрелката на уреда трябва да е в нулева позиция.

Ориз. 3.3. Електротермометър (преносим) за управление на нагряването на контактните връзки:

а - обща форма; б - схема; 1 - съединител за свързване с изолиращ прът;

2 - микроамперметър; 3 - резистор с регулируемо съпротивление (R5); 4-

термистор (RT); 5 - контрол; 6 - измерване; P - превключвател за двама

провизии; K - бутон за подаване на напрежение към веригата

За да направите това, бутонът K захранва захранването, превключвателят P е поставен в позиция 5 и стрелката на устройството е настроена на нула с променлив резистор R5. След това превключвателят P се премества в позиция 6 (измерване).

Контактната температура се измерва чрез докосване на сензорната глава до контактната повърхност и натискане на пръта върху главата на електротермометъра (при натискане бутонът K е затворен и захранването се подава към веригата). След 20 ... 30 s измерената стойност на контактната температура се отчита от скалата на устройството.

Средства за дистанционно измерване на температурата на намотката и стоманата на статора на генераторите, синхронните компенсатори, температурата на охлаждащия въздух, водорода са термометри за съпротивление, в които се използва и зависимостта на стойността на съпротивлението на проводника от температурата . Дизайните на термометъра за съпротивление са разнообразни. В повечето случаи това е тънка медна жица, бифиларно навита върху плоска изолационна рамка, с входно съпротивление 53 Ohm при температура 0 ° C.

Като измервателна част, работеща съвместно с термометри за съпротивление, се използват автоматични електронни мостове и логометри, оборудвани с температурна скала.

Таблица 3.3 Технически характеристики на пирометри и термовизори

Марка на устройството

Контролиран температурен диапазон, °С

Най-голямото разстояние на предварително наблюдавания обект, m

Грешка в измерването, %

Индикатор за наблюдение

Захранващо напрежение, V

Термокамера "Интекс"

Термовизионни контролни системи:

Иртис-2000

Таблица 3.4

Охлаждаща среда и наблюдение на статора, лагерите, уплътненията на ротора в TVF и TVV генератори

Елементите

Брой сензори на турбогенератор

турбинен генератор

Статор: намотка

активна стомана

Охлаждащ газ:

студ

загрят

Дестилат в намотката на статора:

на изхода

Вода в охладители и топлообменници:

студ

загрят

Лагери и уплътнения:

облицовки

входящо масло

изходящо масло

Монтирането на термометри за съпротивление в статора на машината се извършва по време на нейното производство в завода. Медните термометри за съпротивление се поставят между намотките и в долната част на жлеба.

Метод на термодвойка въз основа на използването на термоелектричния ефект, т.е. зависимостта на ЕМП във веригата от температурата на точките на свързване на два различни проводника, например: мед-константан, хромел-копел и др. Ако измерената температура не надвишава 100 ... 120 ° C, тогава между термоEMF и температурната разлика между нагретия и студения край на термодвойката е пропорционална.

Термодвойките са свързани към измервателни уреди от компенсационен тип, DC потенциометри и автоматични потенциометри, които са предварително калибрирани. Термодвойките се използват за измерване на температурите на конструктивните елементи на турбогенераторите, охлаждащия газ, активните части, например активната стомана на статора.

Инфрачервен метод е в основата на устройствата, работещи с помощта на фиксиране на инфрачервеното лъчение, излъчвано от нагрети повърхности. Те включват пирометри, използвани за измерване на температурите на нагрети тела (Таблица 3.3).

Таблица 3.4 са показани елементите на турбогенераторите от серията TVF и TVV и охлаждащата среда, чиято температура се измерва с посочените средства за термичен контрол.

В допълнение към температурата на обслужваното оборудване, те контролират и налягането на водорода, общия дестилат и налягането на дестилата в намотката на статора, дебита и налягането на водата в охладителите и топлообменниците, тъй като температурата на статора и роторните елементи директно зависи от параметрите на охлаждащите агенти.

Съвкупността от техники за използване на принципите и средствата за измерване

рений представлява метод за измерване. Различни методи за измерване

се различават преди всичко в организацията на сравнение на измерената стойност

рангове с мерна единица. От тази гледна точка всички методи за измерване

niy в съответствие с GOST 16263-70 са разделени на две групи:

методи за директна оценка и методи за сравнение. Методи за сравнение

мненията от своя страна включват метода на опозицията,

диференциален метод, нулев метод, метод на заместване и метод

съвпадения.

С метода на директна оценка стойността на измерената стойност

маските се определят директно от измерването на четящото устройство

инструмент с директно действие (измервателен уред, в който

торът осигурява едно или повече преобразувания на сигнала

информация за измерване в една посока, т.е. без обратна връзка

комуникация). Всичко показва (стрелка)

устройства (волтметри, амперметри, ватметри, електромери

енергия, термометри, тахометри и др.). трябва да бъде отбелязано че

когато се използва този метод на измерване, мярката е реална

възпроизвеждане на мерната единица, като правило, директно в

не участва в процеса на измерване. Сравнение на измерената стойност с

мерна единица се извършва косвено чрез предвар

калибриране на измервателния уред с референтни еталони или

примерни измервателни уреди. 22

Точността на измерванията по метода на директна оценка в голяма степен

в повечето случаи е малък и ограничен от точността на приложеното

измервателни уреди.

Метод за сравнение на измерване е метод на измерване, при който

измерената стойност се сравнява с възпроизведената стойност

мярка. Примери за този метод: измерване на теглото на гредова везна с

балансиране с тежести; Измерване на постоянно напрежение

на компенсатора в сравнение с ЕМП на нормален елемент.

Метод за сравнение с мярка, при който измереното количество и

маската, възпроизведена от мярката, едновременно засяга

сравнение на бор, с което се установява връзката

между тези величини се нарича метод на противопоставяне.

Това е, например, измерване на масата върху лъчев везни с поставянето му

и балансиране на тежести на две везни при известно съотношение

Преместване на раменете на лоста за баланс. В този случай, с висококачествено изпълнение,

устройство за сравнение (ниско триене в лагерите, стабилност на

носенето на рамена на лостовете и др.) може да се постигне висока прецизност

измервания (пример - аналитична везна).

Диференциалният метод е метод за сравнение с мярка, при който

тор, измервателното устройство се влияе от разликата на измереното

стойност и известна стойност, възпроизведена от мярката. Този метод

ви позволява да получавате резултати от измерване дори с висока точност

в случай на използване на относително неточни измервателни уреди

канавка, ако известна стойност се възпроизведе с голяма точност.

Помислете за следния пример. Необходимо е да се измери константата

напрежение, чиято истинска стойност е Ux = 99,0 V.

Експериментаторът има на разположение набор от волтметри (или

един многообхват) с граници на измерване 0,01; 0,1; 1 Б. Нека

грешка на всеки волтметър при измерване на стойност, стойност

което е равно на границата на измерване, е 1%. Нека се преструваме

има и примерна мярка за напрежение U0 = 1V, грешката

което е незначително. Очевидно, правейки измервания на

Чрез директна оценка експериментаторът използва волт-

метър с граница на измерване от 1 V и получава резултата от измерването от

грешка от 1%. С диференциалния метод на измерване, експерименталният

менторът включва източниците на измереното постоянно напрежение

Ux и еталонно напрежение U0 последователно и срещуположно и измерено

тяхната разлика U0 −Ux = 01,0 V се измерва с волтметър с граница на измерване

0,01 V. В този случай разликата U0 −Ux ще бъде измерена с грешка

1% и следователно стойността на напрежението ще бъде определена с

с грешка от 0,01%. 23

Този метод се използва широко, по-специално за проверка

измервателни уреди (например измервателни токови трансформатори и

волтаж). Тя се основава на работата на много често срещани в електрическите

тройна измервателна технология на мостове на постоянен и променлив ток.

Постига се ефектът от повишаване на точността на резултатите от измерването

диференциалният метод е по-значим

толкова по-близо е стойността на мярката до истинската стойност на измерената стойност

нас. В случая, когато полученият ефект от влиянието на величините

устройството за сравнение се довежда до нула, диференциалният метод на измерване

рений се превръща в нула. Очевидно при нулевия метод,

рений, използваната мярка трябва да бъде променлива (регулируема) и

устройството за сравнение функционира като индикатор за равенство на нула

полученият ефект от измерваната величина и мярката.

Нулевият метод постига висока точност на измерване

и се използва широко, например, при измерване на електрически

съпротивление от моста с пълното му балансиране или постоянно

напрежение с DC компенсатор.

Методът на заместване е метод за сравнение с мярка, при който

измерената стойност се заменя с известна стойност, която се възпроизвежда

измерима мярка. Това е например претегляне с редуване

като поставите измерената маса и тежести върху една и съща тава. Метод

заместването може да се разглежда като вид диференциал

метод или нулев метод, характеризиращ се с това, че сравнението се променя

Измерената стойност с мярката се произвежда по различно време.

Методът на съвпадението е метод за сравнение на мерките, при който

разлика между измерената стойност и възпроизводимата стойност

мярка, измерена с помощта на съвпадението на маркировките на скалите или периодично

сигнали. Примери за този метод са измерване на дължина с

с помощта на шублер, измервайки скоростта

стробоскоп.

Разликите, описани по-горе в методите за сравнение на измерената стойност

маскировките с мярка са отразени в принципите на конструкцията

измервателни уреди.

От тази гледна точка се прави разлика между измервателни уреди на директен

действия и устройства за сравнение. В измервателен уред с директен

действия се осигуряват една или повече трансформации на сигнала

информация за измерване в една посока, т.е. без приложение

обратна връзка. Така, например, на фиг. 1.3 показва структурата на електрическия

тронен волтметър AC и DC, който съдържа

токоизправител B, DC усилвател UPT и метър-

нов механизъм на МИ. В това устройство преобразуването на сигнала е

техническата информация отива само в една посока. 24

Характерна особеност на устройствата с директно действие е

консумация на енергия от обекта на измерване. Това обаче не изключва

възможността за използване на инструменти с директно действие за измерване,

например електрическо съпротивление или капацитет, но за това

трябва да се използва допълнителен източник на захранване.

Измервателният уред за сравнение е предназначен за директно

сравнение на измерената стойност със стойността, чиято стойност

рояк е известен.

Фигура 1.4 показва блокова схема на автомат

устройство за сравнение, съдържащо устройство за сравнение US, устройство

контрол CU и променлива (регулируема) мярка M с показание

устройство.

Предоставят се измерената стойност x и хомогенната стойност x0

към входовете на устройството за сравнение US. Стойността x0 се получава от контролата

мярка M. В зависимост от резултата от сравняването на x с x0,

контролният блок CU действа върху мярката M по такъв начин, че

величина

x - x намаля. Процесът на балансиране е завършен

е когато x = x

В този случай се отчита стойността на измерената стойност

по скалата на контролираната мярка. Ако устройството за сравнение

се случва изваждане на стойностите x и x0, след което в това устройство се прилага

Сравнение на измерената стойност с мярката на нулевия метод.

Очевидно всеки сравнителен измервателен уред трябва

имат обратна връзка и затворена структура. Обратна връзка

може да се използва в устройства с директно действие, но в тях то

не винаги обхваща целия процес на трансформация, а само част от него.

Например, в блоковата диаграма на фиг. 1.3 усилвател с постоянен ток

как могат да бъдат обхванати от обратна връзка. В измервателните уреди

За сравнение, във веригата за обратна връзка винаги се формира физическо количество.

маска, която е хомогенна с измерената, която се подава към входа на уреда.

Трябва да се отбележи, че сравнението на измерената стойност с мярката в

устройствата за сравнение могат да се извършват едновременно (нула-

метод) или по различно време (метод на заместване).

Ориз. 1.3. Структурна схема

устройство с директно действие

Ориз. 1.4. Структурна схема

компаратор 25

По този начин, горната класификация на видовете и методите на

измерванията позволява не само да се систематизират различни измервания

рений от всички видове физически величини и по този начин улесняват под-

подход за решаване на конкретна измервателна задача, но и от общ

ции да подходи към разглеждането на структурите и принципите на действие на различни

измервателни уреди.

В зависимост от вида на контролния обект може да има управление

продукти, услуги, системи за качество (производство) и персонал. Всичко

обектите се следят за съответствие с изискванията на стандартите, установ

за суровини, материали, продукти, оборудване и инструменти.

Една от най-важните характеристики на обектите на контрол е тяхната

тестируемост, т.е. продукт дизайн собственост, предоставяне

възможността, удобството и надеждността на управлението му при изработка

производство, тестване, поддръжка и ремонт.

Освен наименуваните обекти на контрол подлежат и елементи.

системи за качество и етапи на производствения процес. Контрол след

всяка операция върху машина, преса, монтаж се нарича операция

nym. След производството на част, възел или продукт като завършен

продуктите подлежат на приемен контрол: извършва се контрол

комплектност, опаковане и транспортиране и, накрая, контрол

съхранение. Какви параметри подлежат на контрол и какви инструменти

обектът се следи от обем или устройство по време на оперативен контрол

ле, регламентирано от картата на технологичния процес в колона "кон-

трилогична операция". Приемателният контрол се извършва съгласно норматива

техническа документация (НТД), общи спецификации и

съответните технически спецификации.

Проверка на съответствието на характеристиките, режимите и други показатели

елементи на посочените етапи на производство и съставлява същността на

моите операции.

Контролът на обекти или етапи от производствения процес може

- нестабилен - продължителността му не е регулирана;

- периодичен - извършва се през определен интервал

време (часове, дни, месеци);

- непрекъснато - извършва се непрекъснато (постоянно).

В зависимост от средствата за контрол, контролът се разграничава:

- визуален - когато се инспектира контролният обект и

се определя съответствието му с изискванията на NTD (дали всички операции

завършен, наличието на маркировка, придружаваща документация); 26

- органолептичен - субективен метод за контрол, провеждане

от експерти специалисти (резултат в точки);

- инструментален - контрол, осъществяван с помощта на

измервателен уред, калибри, инструменти, стойки, тест

тел машини и др.

Последният тип управление може да бъде ръчно, автоматизирано

nym и автоматично. Ръчното управление използва ръчно

инструмент за измерване (калибри, микрометри, калибри,

скоби, индикатори и др.) за проверка на части и продукти. В

управлението е много субективно: дори при непрекъснат ръчен контрол

са открити само 2 ... 4% от дефектните части. Автоматизирани

контролът е свързан с използването на специални средства, позволяващи

за да се изключи субективността при измерване. Най-напредналите

автоматичното управление е активно, т.е. в производството

части и възли са вградени в автоматични контроли, с

с помощта на които се осъществява непрекъснат мониторинг.

В зависимост от обема на производството се разграничава контролът:

- солидна, в която решението за качеството на контролирано

продуктите се приемат въз основа на резултатите от проверката на всяка единица

продукти;

- селективна, при която решението за качество се взема съгл

резултатите от проверката на една или няколко проби (в зависимост от

от изискванията на NTD) от партида или продуктов поток.

По характера на въздействието върху хода на производствения процес

разграничаване на активен и пасивен контрол. С активен контрол

(извършва се от устройства, вградени в технологичното оборудване

mining) получените резултати се използват за непрекъснато

контрол на производствения процес на продукта. Пасивен контрол

само фиксира получения резултат и е основа за

сортиране на продукти.

По естеството на въздействието върху обекта контролът може да бъде разрушителен

измамнически, при които продуктът става негоден за по-нататъшно използване

предназначението му и неразрушително.

Според вида на проверяваните параметри се разграничава управлението на геометрията.

технически параметри (линейни, ъглови размери, форма и местоположение

повърхности, оси, части, възли и възли и др.), физ

свойства (електрически, термични, оптични и др.), механични

технически свойства (якост, твърдост, пластичност при различни

външни условия), микро- и макроструктури (металографски

изследвания), химични свойства (химичен анализ на състава на

свойства, химическа устойчивост в различни среди), както и специални

контрол (светло-, газонепроницаемост, херметичност). 27

Един от най-често подлежащите на контрол и регулиране параметри за правилния ход на технологичния процес е температурата. Температурата е стойност, която характеризира степента на нагряване на дадено вещество. Тази концепция е свързана със способността на тяло с по-висока температура да предава топлината си на тяло с по-ниска температура. Преносът на топлина продължава, докато температурите на телата се изравнят и настъпи термодинамичното равновесие на системата. Едновременно с преноса на топлина и промяната в температурата на телата се променят и физическите им свойства. Мерната единица за температура се нарича "градус".

Класификация на уредите за измерване на температура.

Устройствата за измерване на температура се разделят в зависимост от физичните свойства, залегнали в тяхната конструкция, в следните групи:

Термометри за разширение;

Габаритни термометри;

Електрически съпротивителни термометри;

Термоелектрични преобразуватели (термодвойки);

Радиационни пирометри.

Термометри. Решаващ принос за развитието на дизайна на термометъра има германецът Габриел Даниел Фаренхайт. През 1709 г. изобретява алкохолния термометър, а през 1714 г. живачния термометър. Той им даде същата форма, която се използва и до днес. Успехът на неговите термометри се крие в новия метод, който той въведе за пречистване на живак; освен това, преди да запечата, той свари течността в епруветката.

Рене Антоан дьо Реомюр не одобрява използването на живак в термометри поради ниския коефициент на разширение на живака. През 1730 г. той предлага използването на алкохол в термометри, а през 1731 г. изобретява водно-алкохолен термометър. И тъй като Reaumur установи, че алкохолът, който използва, смесен в съотношение 5: 1 с вода, се разширява в съотношение 1000: 1080, когато температурата се промени от точката на замръзване до точката на кипене на водата, той предложи скала от 0 до 80°.

Температурни скали.

Има няколко градуирани температурни скали, като точките на замръзване и кипене на водата обикновено се приемат като референтни точки. Сега най-разпространената в света е скалата на Целзий. През 1742 г. шведският астроном Андерс Целзий предлага 100-градусов термометър, в който точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане се приема за 0 градуса, а температурата на топенето на леда за 100 градуса. Делението на скалата е 1/100 от тази разлика. Когато започнаха да използват термометри, се оказа по-удобно да сменят 0 и 100 градуса. Може би Карл Линей е участвал в това (той преподава медицина и естествени науки в същия университет в Упсала, където Целзий е астрономия), който през 1838 г. предлага да се вземе точката на топене на леда за 0 температури, но, изглежда, не го прави помислете за втората референтна точка. Досега скалата на Целзий се е променила донякъде: 0 ° C все още е температурата на топене на леда при нормално налягане, което не зависи много от налягането. Но точката на кипене на водата при атмосферно налягане сега е 99,975 ° C, което не влияе на точността на измерване на почти всички термометри, с изключение на специалните прецизни.

Известни са и температурните скали на Фаренхайт, Келвин, Реомюр и др. Температурната скала на Фаренхайт (във втората версия, приета от 1714 г.) има три фиксирани точки: 0 ° съответства на температурата на смес от вода, лед и амоняк, 96 ° - до телесната температура на здрав човек (под мишницата или устата). Референтната температура за сравнение на различни термометри беше приета за 32 ° за точката на топене на леда. Скалата на Фаренхайт се използва широко в англоезичните страни, но почти никога не се използва в научната литература. За да преобразувате температурата от Целзий (° C) в Фаренхайт (° F), има формулата ° F = (9/5) ° C + 32, а за обратния превод формулата е ° C = (5/9 ) (° F-32). И двете скали - както по Фаренхайт, така и по Целзий - са много неудобни при провеждане на експерименти в условия, при които температурата пада под точката на замръзване на водата и се изразява като отрицателно число. За такива случаи са въведени абсолютни температурни скали, които се основават на екстраполация към така наречената абсолютна нула – точката, в която движението на молекулата трябва да спре. Едната от тях се нарича скала на Ранкин, а другата се нарича абсолютна термодинамична скала; техните температури се измерват в градуси Ранкин (° Ra) и келвин (К). И двете скали започват от абсолютна нула, а точката на замръзване на водата съответства на 491,7 ° R и 273,16 K. Броят на градусите и келвините между точките на замръзване и кипене на водата по скалата на Целзий и абсолютната термодинамична скала е еднакъв при 100 ; за Фаренхайт и Ранкин също е същото, но равно на 180. Градусите по Целзий се преобразуват в Келвин по формулата K = ° C + 273,16, а градусите по Фаренхайт - в градуси на Ранкин по формулата ° R = ° F + 459,7. в Европа дълго време е широко разпространена скалата на Реомюр, въведена през 1730 г. от Рене Антоан дьо Реомюр. Той не е построен по произволен начин, като скалата на Фаренхайт, а в съответствие с термичното разширение на алкохола (в съотношение 1000: 1080). 1 градус Reaumur е равен на 1/80 от температурния интервал между точките на топене на леда (0 ° R) и кипене на вода (80 ° R), т.е. 1 ° R = 1,25 ° C, 1 ° C = 0,8 ° R ., но вече не се използва.

След въвеждането на Международната система от единици (SI), се препоръчват за използване две температурни скали.

Първата скала е термодинамична, която не зависи от свойствата на използваното вещество (работна течност) и се въвежда чрез цикъла на Карно. Мерната единица за температура в тази температурна скала е един келвин (1K) - една от основните единици в системата SI. Тази единица е кръстена на английския физик Уилям Томсън (лорд Келвин), който разработи тази скала и запази стойността на мерната единица за температура същата като в температурната скала на Целзий.

Втората препоръчителна температурна скала е международната практика. Тази скала има 11 референтни точки - температурите на фазовите преходи на редица чисти вещества и стойностите на тези температурни точки непрекъснато се усъвършенстват. Единицата за измерване на температурата в международната практическа скала също е 1K.

Понастоящем основната референтна точка както на термодинамичната скала, така и на международната практическа температурна скала е тройната точка на водата. Тази точка съответства на строго определени стойности на температура и налягане, при които водата може да съществува едновременно в твърдо, течно и газообразно състояние. Освен това, ако състоянието на термодинамична система се определя само от стойностите на температурата и налягането, тогава може да има само една тройна точка. В системата SI температурата на тройната точка на водата се приема за 273,16 K при налягане от 609 Pa.

В допълнение към определянето на референтни точки, определени с помощта на температурен стандарт, е необходимо да се избере термодинамично свойство на тялото, което се описва с физическа величина, промяната в която е знак за промяна на температурата или термометричен знак. Това свойство трябва да бъде доста лесно възпроизводимо, а физическото количество трябва лесно да се измерва. Измерването на посочената физическа величина дава възможност да се получи набор от температурни точки (и съответните температурни стойности), междинни по отношение на референтните точки.

Таблица 4.1.

Съотношение на температурната скала по Фаренхайт към Целзий

Нека разгледаме по-подробно средствата за измерване на температурата.

Термометри за разширение.

Проектиран да променя температурите в диапазона от -190 до +500 градуса по Целзий. Принципът на действие на разширителните термометри се основава на свойството на телата под влияние на температурата да променят обема си, а следователно и линейните размери. Термометрите за разширение се делят на течно стъкло и механични (дилатометрични и биметални).

Като термометрична течност в термометри от течно стъкло се използват живак, етилов алкохол, керосин, толуен, пентан.

Механични термометри.

Принципът на действие на дилатометричните термометри се основава на трансформирането на температурните промени в разликата между удълженията на две твърди тела, поради разликата в техните температурни коефициенти на линейно разширение. Диапазонът на измерване на температурата е от -30 до + 1000 ° C.

Принципът на действие на биметалния термометър се основава на използването на два метала в неговия чувствителен елемент с различни температурни коефициенти на линейно разширение. Металните пластини са здраво свързани помежду си, главно чрез заваряване, и образуват биметална пружина, която при нагряване разширява и затваря контакта или завърта стрелката на термометъра.

Приблизителна диаграма на биметален електрически контролер, който се използва в хладилни камери, е както следва:

На тази снимка сивият метал се разширява повече от синия. С повишаване на температурата това разширение кара пластината да се огъва нагоре, в контакт с контакта, за да може токът да протече през плочата и да включи компресора. Чрез регулиране на размера на пролуката между плочата и контакта можете да контролирате температурата вътре в камерата.

Биметалните термометри могат да бъдат от различни видове. В най-разпространения дизайн дълга, навита биметална лента е фиксирана в центъра. Другият (външният) край на спиралата се движи по скалата, отбелязана в градуси. Такъв термометър, за разлика от течен (например живачен) термометър, е напълно нечувствителен към промените във външното налягане и е механично по-издръжлив. Диапазонът на измерване на температурата е от -100 до + 600 ° C.

Габаритните термометри са предназначени за измерване на температури в диапазона от -160 до +600 градуса по Целзий.

Принципът на действие на манометричните термометри се основава на промяна в налягането на течност, газ или пара, поставени в затворен обем, когато тези вещества се нагряват или охлаждат;

Скалата на манометъра се калибрира директно в температурни единици. Манометричният термометър се състои от термометър, гъвкав капиляр и самия манометър. В зависимост от пълнежа, манометричните термометри се разделят на газови (TGP термометър, TDG термометър и др.), Паротечни (TKP, TPP термометър) и течни (термометър TPZh, TJ термометър и др.). Диапазонът на измерване на температурата с манометрични термометри варира от -60 до + 600 ° С. Термоцилиндърът на манометричен термометър се поставя в измерваната среда. Когато крушката се загрее, налягането в затворения обем се увеличава, което се измерва с манометър. Скалата на манометъра е градуирана в температурни единици. Капилярът обикновено е месингова тръба с вътрешен диаметър част от милиметъра. Това прави възможно премахването на манометъра от мястото, където е монтирана крушката, на разстояние до 40 м. Капилярът е защитен по цялата си дължина от обвивка от стоманена лента. Габаритните термометри могат да се използват в опасни зони. Ако е необходимо да се предават резултатите от измерването на разстояние повече от 40 m, манометричните термометри са оборудвани с междинни преобразуватели с унифицирани изходни пневматични или електрически сигнали, говорим за така наречените дистанционни термометри.

недостатък. Най-уязвими при проектирането на манометричните термометри са местата, където капилярът е свързан с термоцилиндъра и манометъра.

Електрическите съпротивителни термометри се използват за измерване на температури в диапазона от -200 до +650 градуса по Целзий. RTD съпротивителен термометър е термометър, обикновено в метален или керамичен корпус, чийто сензорен елемент е резистор, изработен от метална тел или филм и имащ известна зависимост на електрическото съпротивление от температурата. Най-популярният тип термометър е платиненият термометър за устойчивост, поради високия температурен коефициент на платината, нейната стабилност на окисляване и добрата технологичност. Медните и никелови термометри също се използват като работещи измервателни уреди. Принципът на действие на термометрите за съпротивление се основава на свойството на проводниците да променят електрическото съпротивление в зависимост от температурата.

Термоелектричните преобразуватели (термодвойки) се използват за измерване на температури от 0 до +1800 градуса по Целзий. Термодвойка е най-старият и все още най-широко използваният температурен сензор в индустрията. Действието на термодвойка се основава на ефект, който за първи път е открит и описан от Томас Зеебек през 1822 г. Най-правилната дефиниция на този ефект е следната: разлика в потенциала ще възникне, ако хомогенен материал с подвижни заряди има различна температура при всеки измервателен контакт. (Ако хомогенен материал със свободни заряди има различни температури на измервателните контакти, тогава между контактите възниква потенциална разлика). За нас по-позната е малко по-различна дефиниция на ефекта на Зеебек, която обикновено се представя в литературата – появата на ток в затворена верига от два различни проводника при наличие на температурен градиент между връзките. Второто определение очевидно следва от първото и дава обяснение на принципа на действие и устройството на термодвойката. Въпреки това, това е първото определение, което дава ключа към разбирането на ефекта от възникването на TEMF не в кръстовището, а по цялата дължина на термоелектрода, което е много важно за разбирането на ограниченията на точността, наложени от самата природа на термоелектричеството. Тъй като TEMF се генерира по дължината на термодвойката, показанията на термодвойката зависят от състоянието на термоелектродите в зоната на максималния температурен градиент. Следователно проверката на термодвойките трябва да се извършва при същата дълбочина на потапяне в средата, както в работния обект. Отчитането на термоелектричната нехомогенност е особено важно за работещи термодвойки, изработени от неблагородни метали.

Предимства:

Широк работен температурен диапазон, това е най-високата налична температурна сонда.

Преходът на термодвойката може да бъде директно заземен или да бъде поставен в пряк контакт с измервания обект.

Лекота на производство, надеждност и здравина на конструкцията.

недостатъци:

Необходимостта от контрол на температурата на студените връзки. В съвременните конструкции на измервателни уреди, базирани на термодвойки, температурата на блока на студения свързващ елемент се измерва с помощта на вграден термистор или полупроводников сензор и автоматична корекция на измерената TEMF.

Появата на термоелектрична нехомогенност в проводниците и, като следствие, промяна в калибровъчната характеристика поради промяна в състава на сплавта в резултат на корозия и други химични процеси.

Материалът на електродите не е химически инертен и ако корпусът на термодвойката е недостатъчно уплътнен, той може да бъде повлиян от агресивна среда, атмосфера и др.

Дългите термодвойки и удължителните кабели могат да създадат ефект на "антена" за съществуващи електромагнитни полета.

Температурната зависимост на термоенергията е по същество нелинейна. Това създава трудности при проектирането на вторични сигнални преобразуватели.

Когато са наложени строги изисквания към времето на термична инерция на термодвойка и обслужващият възел трябва да бъде заземен, преобразувателят на сигнала трябва да бъде електрически изолиран, за да се елиминира рискът от изтичане на земята.

Принципът на действие на термодвойките се основава на свойството на различни метали и сплави да образуват термоелектродвижеща сила в съединението, което зависи от температурата на прехода.

Радиационните пирометри се използват за измерване на температури в диапазона от +100 до 2500 градуса по Целзий. Радиационните пирометри работят на принципа на измерване на енергията, излъчвана от нагрети тела, която се променя в зависимост от температурата на тези тела. чийто принцип на действие се основава на измерване на общата енергия или състава на излъчването на нагрето тяло. В зависимост от метода на измерване се прави разлика между:

радиация,

оптичен,

Фотоволтаични и

· Цветни пирометри.

Радиационни пирометри. Тези пирометри измерват общата (светлинна и топлинна) радиационна енергия на тялото с помощта на телескоп и вторичен инструмент. Телескопът на радиационния пирометър служи като безконтактен температурен сензор и се състои от оптична система, във фокуса на която са работните връзки на термоелемента, тоест няколко термодвойки, свързани последователно. Термоелементът преобразува енергията, излъчвана от повърхността на нагрятото тяло, в термоенергия, която се измерва от вторично устройство. Ако във вторичното устройство има регулиращо устройство, радиационният пирометър дава възможност за автоматично регулиране на температурата в обекта (пещ, баня).

Оптични пирометри. Тези пирометри, наричани още пирометри за яркост, се използват за периодично наблюдение на температурата във фурни и вани. С тяхна помощ температурата се измерва чрез монохроматичната яркост (интензитет на излъчване) на тялото във видимата област на спектъра, като се сравнява с яркостта на нишката на стандартна пирометрична лампа. Чрез промяна на тока на нажежаемата жичка нейната яркост се довежда до яркостта на измерваното тяло, докато нишката изчезва на фона си, тъй като тялото и нишката имат една и съща температура.

Фотоелектрични пирометри. Фотоелектричните пирометри се използват за измерване на температурата на нагрятите твърди вещества в диапазона от 600 до 2000 ° C. Особено успешно се използват за измерване на температурата на бързо протичащи процеси.

Принципът на действие на фотоелектричния пирометър се основава на свойството на фотоелементите да генерират фотоелектричен ток, пропорционален на интензитета на светлинния поток, който се подава към фотоклетката от емитера. Тъй като интензитетът на светлинния поток от своя страна е пропорционален на измерената температура на излъчвателя, температурата на нагретите тела може да бъде измерена с помощта на фотоклетки.

Основният сензор в пирометъра е мерната глава, в която е разположена фотоклетката 9.

Главата е поставена така, че светлинният поток от излъчвателя 3, чиято температура се измерва, се насочва през обективната леща 4 към фотоклетката. На пътя на светлинния поток, пред фотоклетката, са монтирани касета 7 и червен филтър 8, предаващи само лъчи с определена дължина на вълната. Касетата има два отвора: през единия светлинният поток преминава от излъчвателя, а през другия - от лампата с нажежаема жичка 2.

Пред касетата има електромагнитен вибратор 6, който с помощта на затвора, последователно, с честота на тока, който го подава от 50 Hz, отваря отворите на касетата, в резултат на което светлинните потоци последователно падат върху фотоклетката от източника, след това от лампата с нажежаема жичка.

Светлинният поток от лампа с нажежаема жичка е референтен, зависещ по големина само от тока, протичащ през нейната нажежаема жичка. Светлинният поток от емитера се сравнява със светлинния поток от лампата с нажежаема жичка. В резултат на това към електронния усилвател 11 се подава променливо напрежение, чиято стойност зависи от разликата в светлинния поток на лампата с нажежаема жичка и емитера.

Това напрежение се усилва първо в усилвателя, разположен в прицелната глава, а след това в захранващия блок 14.

Изходното стъпало на блока е заредено с лампа с нажежаема жичка, през която протича постоянен ток, който се увеличава, ако светлинният поток на лампата с нажежаема жичка е по-малък от светлинния поток на излъчвателя и обратно.

По този начин системата непрекъснато увеличава стойността на тока, протичащ през лампата, до стойност, която осигурява равенството на излъчвателя на светлина и потоците на лампата с нажежаема жичка.

Чрез измерване на тока на лампата с нажежаема жичка може да се определи температурата на емитера. Токът се измерва от високоскоростен електронен потенциометър 12, свързан към шунт във веригата на лампата, правилното насочване на главата към емитера се извършва с помощта на окуляр 10 и рефлектор 5. Устройството има изолиращ трансформатор 13, стабилизатор на напрежение 15, скоби 16 за захранване от мрежата.

Пирометърът, описан тук, може да бъде инсталиран на разстояние от 1 m или повече от излъчвателя. Най-малкият допустим диаметър на радиатора винаги трябва да бъде малко повече от 1/20 от това разстояние. Пирометри от този тип, но със специални цели, могат да се използват за измерване на температури и по-малки обекти от пирометрите със стандартен индекс на наблюдение.

Цветни пирометри. Тези пирометри измерват температурата чрез съотношението на интензитетите на монохроматичното излъчване от тялото за два диапазона на дължина на вълната на червената и синьо-зелената част от видимата част на спектъра. Това съотношение характеризира така наречената цветова температура, която съвпада с истинската за абсолютно черни и сиви тела. В домашните цветни пирометри се използва методът на съотношението червено-синьо. За измерване и на двете монохроматични яркости се използва един детектор на радиация (фотоклетка или фоторезистор) с общ канал за усилване на измерваните сигнали.

Предимството на метода на цветната пирометрия пред другите безконтактни оптични методи за измерване на температурата е, че не е необходимо да има черно тяло като обект на измерване. Освен това се изключва влиянието на радиацията, промените в релефа на повърхността, разстоянието от пирометъра, неселективните абсорбери на лъчиста енергия, разположени между обекта на измерване и пирометъра (решетки, очила, диафрагми, призми и др.).

Типични примери за цветни пирометри са CEP - 3M и CEP - 4.

Комплектът на устройството се състои от три блока: сензор, електронен блок, който включва усилвателна и решаваща верига, индикационно или записващо устройство.

Принципът на действие на устройството се основава на автоматично измерване на логаритъма на съотношението на спектралната яркост в червената и синята част на спектъра. Изчислителното устройство автоматично изпълнява логаритъма на съотношението на яркостта. Логаритъмът на спектралното съотношение на яркостта е пропорционален на реципрочната стойност на цветната температура.

Измереното лъчение влиза във фотоклетката през оптичната система на устройството и през обтуратор, завъртян от синхронен двигател. Обтураторът е направен под формата на диск с отвори, покрити с червени и сини светлинни филтри по такъв начин, че когато дискът се върти, фотоклетката последователно удря червена или синя енергийна яркост. Фототокови импулси, пропорционални на яркостта на червената и синята спектрална енергия, се усилват и се подават на входа на измервателната система. Фотоклетката е термостатирана. Всички тези устройства са монтирани в главата на устройството. Усиленият ток се подава към измервателния блок, в който след подходящи трансформации сигналът влиза в електронна логаритъмна система, която позволява получаване на линейна скала.

Сензорната глава съдържа също устройства за ръчно и автоматично регулиране на нивото на енергийната яркост, индикатори и контроли. За отстраняване на прах и дим от зрителното поле при измерване на температурата на отворени обекти, сгъстен въздух се подава към сенник, който се носи върху корпуса на обектива. Диапазонът на измерване на температурата е 1400-2800 ° C. Устройството има от 3 до 5 поддиапазони с интервал от 200-400 ° C. Показанията на устройството се преобразуват в градуси по Целзий, като се използва графика за калибриране за този поддиапазон. Устройството се калибрира с помощта на референтни температурни лампи. Ограничаващата грешка при измерване на цветната температура от 2000 ° C е ± 30 ° C.

При метода на бихроматичната цветна пирометрия сигналът за регулиране се определя от разликата между две спектрални излъчвания.

Този метод за контрол на цветовата температура елиминира необходимостта от каквато и да е схема или коефициент за измерване на съотношението на яркостта. Този принцип се използва от пирометъра RED-1, който има една фотоклетка и разделя сигнали, пропорционални на съответното спектрално излъчване във времето, с помощта на въртящ се диск със светлинни филтри.

Инструменти за измерване на температура

ВЪВЕДЕНИЕ

В момента, в рамките на непрекъснато развиващо се постиндустриално общество, изискващо въвеждането на най-новите технологии, специалистите в областта на стандартизацията, сертифицирането и управлението на качеството са особено търсени. Това се дължи на факта, че специалистите от този профил имат познания за методите и средствата за определяне на характеристиките на продуктите, добре са запознати с методите за инструментален контрол като основно средство за ефективно потвърждаване на съответствието на даден обект с изискванията.

В момента има нужда от измерване на топлинни количества във всички производствени зони. В допълнение, основните параметри за контрол на показателите за качество на продукцията често са температурно зависими и могат да бъдат изразени като функция на температурните полета и следователно измерването на температурата в тези случаи е необходимо условие за контрол.

Температурата е физическа величина, която характеризира степента на нагряване на тялото. Почти всички технологични процеси и различни свойства на веществото зависят от температурата.

За разлика от такива физически величини като маса, дължина и др., температурата не е екстензивна (параметрична), а интензивна (активна) величина. Ако едно хомогенно тяло е разделено наполовина, тогава неговата маса също е разделена наполовина. Температурата, тъй като е интензивна величина, не притежава такова свойство на адитивност, тоест за система в топлинно равновесие всяка част от системата има същата температура. Следователно не е възможно да се създаде температурен стандарт, точно както се създават стандартите за големи количества.


1. ТЕМПЕРАТУРА И ТЕМПЕРАТУРНИ СКАЛИ

Концепцията за температура възниква от усещанията на човек, до каква степен околните тела се нагряват или, обратно, охлаждат. Едва в резултат на изискванията на науката и технологиите за количествено определяне на температурата беше формулирана по-ясна концепция за температурата. Според дефиницията на Максуел, температурата на тялото е неговото топлинно състояние, разглеждано от гледна точка на способността му да предава топлина на други тела. От друга страна, температурата може да се определи като степента, до която тялото се нагрява. Първите устройства за измерване на температура, които се появяват през 16-ти век, позволяват да се разграничи температурата като специална физическа величина, чиято стойност се определя от температурната зависимост на всяко свойство на тялото, тоест според скалата от този имот. Така възникна областта на измерване на температурата, която по-късно беше наречена термометрия.

Термометрия- раздел по техническа физика, който изучава методи и средства за измерване на температура, теоретични основи на методите за конструиране на термодинамични и практически температурни скали и еталони и създадени на тази основа образцови уреди за измерване на температура.

температура- физическа величина, която количествено характеризира мярката за средната кинетична енергия на топлинното движение на молекулите на всяко тяло или вещество. Ако две тела се докоснат при различни температури, тогава по-топло тяло (с по-висока температура) ще се охлади, а по-малко загрятото ще се нагрее. Процесът на пренос на топлина и промените в температурите на телата ще продължат, докато техните температури се изравнят, тоест докато настъпи топлинно или термодинамично равновесие.

Температурните зависимости на физичните свойства на веществата могат да се използват като основа за методи за измерване на температурата и конструиране на температурна скала.

Температурна скалаТова е поредица от последователни температурни стойности, формирани в съответствие с избрания закон, който определя връзката между термометричния параметър (свойство) и температурата.

За изграждане на температурната скала се избират две основни точки T 1 и T 2, на които са зададени произволни температурни стойности. Интервалът между тези точки ( T 2 – T 1) се нарича основен диапазон на температурната скала. Разделяне на основния интервал на нравни части, задайте цената на делението на скалата, с други думи, размера на единицата температура.

Вземане на линейна зависимост между температурата Tи физически (термометрични) свойства Е, можете да намерите уравнението на мащаба:

DIV_ADBLOCK25 ">


Скала на Ранкин- температурна скала с начало от абсолютна нула и размер на единицата за температура - степента на Ранкин (° Rn) е равна на размера на температурната единица по Фаренхайт (° F): l ° Rn = l ° F.

Връзка между температурите T Rn и T F следното: T F = T 459,67 Rn.

Скала на Реомюр(1736) се основава на живачен термометър с две референтни точки: точката на топене на леда (0 ° R) и точката на кипене на водата (80 ° R). Интервалът между тези точки е 80 равни температурни части, а размерът на единицата за температура - степента на Reaumur е равна на 1/80 от посочения интервал.

Целзий(1742) се основава на живачен термометър с две референтни точки: точката на топене на леда (0 ° C) и точката на кипене на водата (100 ° C), интервалът между които е 100 равни температурни части и размерът на единицата за температура - градуси по Целзий е 1/100 части от посочения интервал.

2. МЕТОДИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ТЕМПЕРАТУРАТА

Според Международната температурна скала на практика от 1968 г. базовата температура е термодинамична температура, единицата на която е Келвин (К). На практика често се използва температурата по Целзий. Съществува следната връзка между температурата по Целзий и термодинамичната температура: t, C = T, K - 273,15.

Според метода на измерване на температурата методите могат да се разделят на контактни и безконтактни.

Контактните методи за измерване са по-прости и по-точни от безконтактните методи. Но за измерване на температурата е необходим директен контакт с измерваната среда и тялото. И в резултат на това, от една страна, може да има изкривяване на температурата на средата на мястото на измерване и, от друга, несъответствие между температурата на чувствителния елемент и измерваната среда.

За прилагане на методите за контактно измерване се използват разширителни термометри (стъклени, течни, габаритни, биметални и дилатометрични), термодвойки за съпротивление (проводникови и полупроводникови) и термоелектрически преобразуватели.

Серийно произвежданите термометри и термопреобразуватели покриват температурния диапазон от - 260 до 2200 ºС и за кратко време 2500 ºС.

Безконтактните методи за измерване нямат ефект върху температурата на средата и тялото. Но от друга страна те са по-сложни и методическите им грешки са много по-големи от контактните методи.

Безконтактните измервания на температурата се извършват с пирометри (квазимонохроматични, спектрално съотношение и общо излъчване), термовизори.

Безконтактните уреди за измерване на температура се произвеждат серийно за температурния диапазон от 01.01.01ºС.

3. КОНТАКТНО ИЗМЕРВАНЕ НА ТЕМПЕРАТУРА

Термометрите се използват за измерване на температурата по контактен метод.

Термометри за измерване на температура по контактен метод: разширителни термометри, използващи принципа на термично разширение на течност (течност) или твърдо вещество (дилатометрично и биметално); манометрични термометри, използващи връзката между температурата и налягането на газови или течни пари в затворена термична система; термични преобразуватели (термометри) на съпротивление, използващи промени в електрическото съпротивление на металите от температурата; термоелектрически термометри (термодвойки), като се използва връзката между термо-EMF, развита от термодвойка (горещ кръст) от два различни проводника, и температурната разлика между съединението и свободните краища на термодвойката.


Техническите течни термометри се състоят от резервоар с термометрична течност и капилярна тръба, свързана към него. Зад капиляра се намира скала в ° C. Корпусът на устройството е изработен от стъкло. Когато температурата се промени, обемът на течността вътре в устройството се променя, в резултат на което колоната на течността в капиляра се повишава или спада пропорционално на промяната на температурата.

Като термометрична течност в разширителни термометри се използва следното:

Живак при промяна на температурата от -30 ° C до + 600 ° C;

Алкохол при промяна на температурата от -80 ° C до + 80 ° C;

Толуен при промяна на температурата от -80 ° C до + 100 ° C;

Керосин при промяна на температурата от 0 ° C до + 300 ° C или други органични течности.

Ориз. 1. Монтаж на технически течен термометър: 1 - защитна втулка; 2 - пълнител; 3 - термометър

За по-лесно инсталиране термометрите са направени прави и под ъгъл (под ъгъл от 90 °, 120 ° и 135 °). За да монтирате стъклени термометри и да ги предпазите от повреда, се използват метални рамки. В метална рамка инертността на термометъра се увеличава. За да се намали времето на закъснение, пролуката между защитната рамка и дръжката се запълва с техническо масло (при температура на измерване до 150 ° C), медни стърготини (при температура над 150 ° C до 650 ° C). Принципът на действие на дилатометричните термометри се основава на преобразуването на измерената температура в разликата между абсолютните стойности на удълженията на два пръта, изработени от материали с различни топлинни коефициенти на линейно разширение. Използват се в устройства за аларма и контрол на температурата. Работата на биметалните термометри се основава на деформацията на биметалната лента при промяна на температурата. Биметалната лента е огъната под формата на плоска или спирална спирала, единият край на която е фиксиран неподвижен, а другият - върху оста на стрелката. Ъгълът на завъртане на стрелката е равен на ъгъла на усукване на спиралата, който е пропорционален на промяната в температурата. Клас на точност на инструмента 1%, 1,5%.

Габаритни термометри

Принципът на действие на манометричните термометри се основава на зависимостта на налягането на работното вещество в затворен обем от температурата. В зависимост от агрегатното състояние на работното вещество в топлинната система манометричните термометри се подразделят на газови, течни и кондензационни (паро-течни) термометри.

Те могат да се използват за измерване на температури в диапазона от -150 до + 6000C. Обхватът на измерване се определя от свойствата на работната среда. Термометрите със специален пълнеж могат да се използват в диапазона от 100 ... 10000C.

Ориз. 2 Схема на манометричен термометър

Топлинната система на манометричен термометър (фиг. 2) се състои от термична колба 1, капиляр 2, плоска тръбна пружина 3. Термичната система е изпълнена с работно вещество в посочената затворена система. Крушката се поставя в околната среда, чиято температура трябва да се измери. При нагряване работното вещество се разширява и тъй като системата е затворена, налягането вътре в нея се увеличава. В резултат на това плоската пружина има тенденция да приеме кръглия профил и той се изправя, а свободният край се движи. Движението през пръта 5 се предава на зъбния сектор 6, който е в зацепление със зъбното колело 7. Стрелката на показалеца 8 е монтирана върху оста на колелото, която заедно със скалата 9 образува отчитащото устройство на устройството.

За създаване на противодействащ момент са предвидени 10, единият край на които е фиксиран върху зъбно колело, а другият върху рамката на устройството. Влиянието на температурата на околната среда върху показанията на устройството се компенсира от биметален или инварен компенсатор 4.

Термичен балон- цилиндър, изработен от месинг или специални стомани, устойчиви на агресивни среди. Диаметърът на крушката е 5 ... 30 мм, дължината е 60 ... 500 мм.

Капилярна- медна или стоманена тръба с вътрешен диаметър 0,1 ... 0,5 mm. Дължината на капиляра, в зависимост от експлоатационните изисквания, варира от няколко сантиметра до 60 м. Медните капиляри имат стоманена пружинна защитна обвивка, която ги предпазва от механични повреди по време на монтаж и работа.

Пирометри и термовизори имат, пред контактните температурни сензори, както редица предимства, така и някои недостатъци - зависимостта на показанията от разстоянието до измервания обект, от отразяващите свойства на измерваната повърхност, от излъчването на областите на измервания обект. обект, който не влиза директно в зрителното поле на пирометъра. За да изберете метод за измерване, трябва да оцените всички плюсове и минуси.

Днес има голям избор от преносими ръчни и стационарни пирометри за различни приложения, както и достъпни термовизори.

Преносимите пирометри измерват температура в диапазона от -30°C до 3000°C с грешка до 0,75% от измерената стойност, могат да съхраняват до 100 температурни стойности, да предават данни от измерването чрез цифров изход към персонален компютър.

Стационарните пирометри измерват температури от -40°C до 3000°C с грешка до 0,3% от измерената стойност, имат оптична разделителна способност до 300:1, време за реакция до 1 ms, а изходните сигнали са J / K / E / N термодвойки / T / R / S, 0-5 V, 4-20 mA, RS-485 или RS-232 интерфейси, механично реле.

Термовизора има следните технически характеристики:

Неохладен микроболометричен масив 160 x 120 клетки;

Диапазонът на измерваните температури е от 0°C до 250°C;

Спектрален диапазон 7-14 микрона;

LCD дисплей с три нива на яркост на изображението за различни условия на работа;

Оптична разделителна способност 90: 1, минимално разстояние до обекта на измерване 60 cm;

Лазерен мерник - индикатор за центъра на зоната за стрелба;

Памет за до 100 снимки и данни;

Време на непрекъсната работа без презареждане - 5 часа;

Комуникация с персонален компютър чрез USB порт.

Всички тези инструменти са специално проектирани и калибрирани, за да отговорят на предизвикателствата на промишленото измерване на температурата. В момента безконтактният метод за измерване на температурата е широко търсен в енергетиката. Използва се за диагностика на електрическо оборудване под напрежение, за поддръжка на енергийно оборудване. С помощта на пирометри и термовизори можете бързо и безопасно да следите температурата на електродвигатели, корпуси на трансформатори, корпуси на шини, оборудване на електрическата подстанция, да откривате сухи участъци от високоволтови кабелни линии и да контролирате температурата на електрическите изолатори. В жилищно-комуналните услуги с помощта на пирометри и термовизори контролират температурата на тръбите за подаване и всмукване на въздух, измерват температурата на топлопроводите, определят местата на течове на топлина и инспектират покрива. Безконтактният метод за измерване на температурата позволява да се намали времето за измерване и да се защити персонала, да се удължи експлоатационният живот на измервателния уред и да се разшири обхватът на измерваните температури. Евтината на безконтактния метод за контрол на температурата, неговата ефективност и наличност правят възможно използването на пирометри и термовизори в почти всяко предприятие.

Поради своята простота на работа, широк диапазон от измервани температури, кратко време за реакция, липса на контакт с обекта, тяхната функционалност, безконтактните уреди за измерване на температура се използват широко не само там, където това е единственият възможен измервателен уред, но и постепенно започнете да сменяте контактни температурни сензори....

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Температурата е един от основните параметри, които трябва да се следят от автоматичните системи за управление на процеса.

Както знаете, операциите по измерване, тестване и контрол са ключови за оценка на съответствието на процеса с определените изисквания и управление на качеството в бъдеще. Особеностите на прилагането на една или друга измервателна операция се определят от спецификата на извършената работа.

В тази статия са разгледани основните видове измервания и контрол, използвани при изпълнението на термичния процес. Обръща се внимание на средствата и методите за измерване, които най-често се използват в практиката:

Средства и методи за измерване на температура.

Представени са различни видове термометри, проучени са принципът на действие и особеностите на приложението на термоелектрически преобразуватели, както и преобразуватели на съпротивление.

Освен това се обръща внимание на безконтактните устройства за измерване на температурата.

Разглеждат се принципът на действие, както и основните области на приложение на пирометрите и термовизорите.

Познаването на конструкцията, принципа на действие, особеностите на тяхното включване може да помогне за разумно решаване на проблеми с измерването при инструменталния контрол на качеството.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Клюев, контрол и диагностика: справочник / изд. ... - 3-то изд., преп. и добавете. - М .: Машиностроение, 2005 .-- 656 с.

2. Контролно-измервателни устройства и инструменти: урок /,. - М .: Издателски център "Академия", 2006. - 464 с.

3. Пономарев и практически аспекти на топлофизичните измервания: монография. В 2 книги. /,. - Тамбов: Тамб. състояние технология ун-т, 2006. - Кн. 1. - 208 с.

4. Профос, П. Измервания в индустрията: справочник. В 3 кн. Книга. 2. Методи за измерване и оборудване / П. Профос; per. с него. - М .: Металургия, 1990 .-- 384 с.

5. Ранев и измервателни уреди: учебник за университети/,. - 3-то изд., Изтрито. - М .: Издателски център "Академия", 2006. - 336 с.

6. Харт, Х. Въведение в измервателната техника / Х. Харт; per. с него. - М .: Мир, 1999 .-- 391 с.

Рейтинг на статията:
1 звезда2 звезди3 звезди4 звезди5 звезди(все още няма оценки)
Зареждане...
За споделяне с приятели:
Статии на подобна тема
Близо
Намерете на сайта
Например: видове гипсокартон