Какие физические принципы измерения температуры есть. Методы и средства измерения температуры общие сведения. Описание приборов измерения

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Температура оказывает влияние на многие процессы и реакции, протекающие в природе, осуществляемые в лабораториях и на промышленных предприятиях. Измерения температуры по оценкам специалистов составляют 50% от общего числа всех измерений на производстве. В частности, температура определяет протекание процессов, состояние технологических аппаратов и режимы их функционирования.

Температура - одна из основных величин, определяющих термодинамическое состояние веществ, характеризующая степень нагретости тела. Это статистически формирующаяся термодинамическая величина, определяемая уровнем внутренней энергии тела, носителями которой являются атомы и молекулы. При этом температуру определяет их кинетическая энергия движения.

В этой работе я постарался собрать информацию, о современных методах измерения температуры. Как известно, их разработано очень большое количество. Одни из них являются универсальными, другие удобны в применении в определенных научных исследованиях и отраслях промышленности. температура люминесценция оптически термоиндикатор

Большая часть реферата посвящена именно люминесцентным методам измерения температуры, которые сейчас являются перспективными и очень востребованными. Они в определенных условиях имеют ряд преимуществ перед другими: в точности, быстроте, обратимости, устойчивости к внешним химическим, электромагнитным, физическим и другим воздействиям, экономичности.

Поэтому люминесцентные методы измерения температуры продолжают быстро развиваться и расширять области своего применения. Так как роль температурных и тепловых измерений в настоящее время очень велика, то данный реферат может быть полезным специалистам из многих отраслей промышленности и областей науки.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕРМОМЕТРИИ И ТЕОРИИ ЛЮМИНИСЦЕНЦИИ

1. 1 Способы измерения температуры

В отличие от других параметров, характеризующих состояние вещества, измерение температуры можно производить только косвенным путем, основываясь на зависимости от температуры таких физических свойств тел, которые поддаются непосредственному измерению. Например, такой физической величиной может быть объем вещества, давление, электрическое сопротивление или другой параметр, зависящий от температуры. При этом необходимо, чтобы изменение используемого параметра было связано с температурой функциональной зависимостью, близкой к линейной; эта связь должна наименьшим образом искажаться из-за воздействия других параметров процесса, точно и просто воспроизводиться при градуировании измерительного прибора.

Обычно, измеряемые температуры лежат в интервале от -273 до 3000 °С, поэтому для измерения температуры во всех возможных случаях необходимы разные средства и методы измерений, к которым в зависимости от поставленной задачи измерения выдвигаются существенно различные требования, касающиеся точности измерения. Все эти факты приводят к дополнительным трудностям при выборе метода измерения такого параметра как температура в конкретных производственных и лабораторных условиях.

Известные на данный момент способы измерения температуры можно поделить на две группы: контактные и бесконтактные методы. При использовании приборов первой группы (например, термопар, термоанемометров, акустических анемометров др.) приходится в той или иной степени принимать во внимание особенности теплообмена между объектом, термометром и внешней средой, так как контактные термометры непосредственно контактируют с объектом, что сильно влияет на результаты измерений, внося значительные погрешности.

При измерении температуры с помощью оптических методов (интерферометрический, оптико-голографический и др.) температурное поле объекта измерения не искажается. Кроме того, возникает возможность измерения температуры не в одной точке, а сразу по всему объему изучаемого объекта. Наряду с этим оптические методы не имеют инерционных погрешностей, что способствует проведению точных измерений мгновенных значений. Высокая чувствительность и точность измерений обусловливают применение оптических методов в изучении сложных процессов, сопровождающихся резкими колебаниями характеристик процесса.

1. 2 Понятие люминесценции

Люминесценция (от латинского lumen - свет и -escent - суффикс, означающий слабое действие), излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний.

Природные явления люминесценции - северное сияние, свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего дерева - были известны с очень давних времен, однако систематически изучать люминесценцию стали с конца 19 века (Э. и А.Беккерели, Ф.Ленард, У.Крукс и другие). Интерес к исследованию свечения различных веществ привел В.К.Рентгена к открытию рентгеновских лучей, а в 1896 году А.Беккерель, занимавшийся изучением люминофоров, открыл явление радиоактивности. В установлении основных законов люминесценции, а также в развитии ее применений исключительное значение имели работы советской школы физиков, созданной С.И.Вавиловым.

Люминесценция может быть вызвана бомбардировкой вещества электронами и другими заряженными частицами, пропусканием через вещество электрического тока, освещением вещества видимым светом, рентгеновскими и гамма-лучами, а также некоторыми химическими реакциями в веществе.

Люминесценция наблюдается во всех агрегатных состояниях - в газах, в жидкостях и в твердых телах. Например, пары и газыO 2 , S 2 , Na 2 и т.д., соединения бензольного ряда, ароматические соединения, разные виды красителей, неорганические кристаллы с примесями тяжелых металлов, называемые кристаллофорами, являются люминесцентными веществами - люминофорами.

В отличие от равновесного теплового излучения, люминесцентное излучение не имеет равновесного характера. Оно вызывается сравнительно небольшим числом атомов, молекул или ионов. Под действием источника люминесценции они переходят в возбужденное состояние, и их последующее возвращение в нормальное или менее возбужденное состояние сопровождается испусканием люминесцентного излучения. Эти атомы, молекулы и ионы принято называть центрами люминесценции.

Элементарный процесс люминесценции состоит из двух этапов. На первом происходит возбуждение центра люминесценции, на втором -- его высвечивание при переходе из возбужденного состояния в основное или менее возбужденное. Энергия рождающегося на заключительном этапе фотона ровна, очевидно, разности энергий состояний, между которыми произошел соответствующий квантовый переход. Таким образом, центр люминесценции использует энергию возбуждения, преобразуя ее в энергию собственного излучения.

Длительность свечения обусловлена длительностью возбужденного состояния, которое, помимо свойств люминесцирующего вещества, зависит от окружающей среды. Если возбужденное состояние метастабильно, то время пребывания в нем частицы может достигать 10 -4 сек, что соответственно увеличивает и длительность люминесценции.

Люминесценцию, сразу прекращающуюся после окончания действия возбудителя свечения, называют флуоресценцией. Люминесценция, сохраняющаяся длительное время после прекращения действия возбудителя свечения, называется фосфоресценцией.

Флуоресценция обусловлена переходами атомов, молекул или ионов из возбужденного состояния в нормальное. Фосфоресценция обусловлена наличием метастабильных возбужденных состояний атомов и молекул, переход из которых в нормальное состояние затруднен по тем или иным причинам. Переход из метастабильного состояния в нормальное возможен лишь в результате дополнительного возбуждения, например теплового. Разграничение на флуоресценцию и фосфоресценцию является достаточно условным.

Люминесценция под действием света называется фотолюминесценцией, под действием бомбардировки электронами - катодолюминесценцией, под действием электрического поля -- электролюминесценцией, под действием химических превращений - хемилюминесценцией. Известны также триболюминесценция - свечение при трении некоторых веществ, кристаллолюминесценция - свечение, возникающее при механическом сжатии кристаллов, и ионолюминесценция - свечение при прохождении ультразвуковых волн через растворы некоторых веществ.

В зависимости от характера элементарных процессов, приводящих к люминесцентному излучению, различают спонтанные, вынужденные и рекомбинационные процессы люминесценции, а также резонансную флуоресценцию. Резонансная флуоресценция наблюдается в парах атомов и состоит в спонтанном высвечивании с того же энергетического уровня, на котором оказался излучающий атом при поглощении энергии от источника люминесценции. При возбуждении резонансной флуоресценции светом имеет место резонансное излучение, переходящее в резонансное рассеяние при увеличении плотности паров. Спонтанная люминесценция состоит в том, что под воздействием источника люминесценции вначале происходит возбуждение атомов (молекул или ионов) на промежуточные возбужденные энергетические уровни (Е 2 ) - Далее с этих уровней происходят излучательные, а чаще безизлучательные (рис. 1) переходы на уровни, с которых излучается люминесцентное свечение. Такой вид люминесценции наблюдается у сложных молекул в парах и растворах, у примесных центров в твердых телах.

Вынужденная (метастабильная) люминесценция характера тем, что под действием источника люминесценции происходит переход на метастабиль-ный уровень, а затем следует переход на метастабильный уровень, а затем следует переход на уровень люминесцентного излучения (рис. 2).

Примером является фосфоресценция органических веществ. Рекомбинационная люминесценция представляет собой рекомбинационное излучение, которое возникает при воссоединении тех частиц, которые были разделены при поглощении энергии от источника люминесценции (в газах - радикалы или ионы, в кристаллах - электроны и дырки).

Рекомбинационная люминесценция может происходить на дефектных или примесных центрах (центры люминесценции), когда дырки захватываются на основной уровень центра, а электроны - на его возбужденный уровень.

Закономерности люминесценции.

1. Правило Стокса: длина волны фотолюминесценции, как правило, больше, чем длина волны возбуждающего света. В более общей формулировке: максимум спектра люминесценции смещен в длинноволновую сторону от максимума спектра поглощения. С квантовой точки зрения правило Стокса означает, что энергия hv кванта возбуждающего света частично расходуется на неоптические процессы:

hv = hv люм + W, т.е. v люм < v или л люм > л,

где W - энергия, затраченная на различные процессы, кроме фотолюминесценции.

2. В некоторых случаях фотолюминесцентное излучение имеет в своем спектре длины волн, меньшие длины волны возбуждающего света (ан-тистоксово излучение). Это явление объясняется тем, что к энергии возбуждающего фотона добавляется энергия теплового движения атомов, молекул или ионов люминофора:

hv люм = hv погл + akT,

где а - коэффициент, зависящий от природы люминофора, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура люминофора. Антистоксово излучение проявляется все отчетливее оп мере повышения температуры люминофора.

3. Отношение энергии люминесценции к энергии, поглощенной в стационарных условиях люминофором от источника, возбуждающего люминесценцию, называется энергетическим выходом люминесценции.

Квантовым выходом фотолюминесценции называется отношение числа фотонов люминесцентного излучения к числу поглощенных фотонов возбуждающего света при фиксированной энергии последнего. Энергетический выход фотолюминесценции возрастает прямо пропорционально длине волны л поглощаемого излучения, а затем, достигая в некотором интервале при л макс максимального значения, быстро спадает до нуля при дальнейшем увеличении (закон Вавилова). С увеличением длины волны возбуждающего света растет число фотонов с энергией hv, содержащихся в данной энергии первичного излучения. Поскольку каждый фотон может вызывать появление кванта hv люм , то с увеличением длины волны происходит возрастание энергетического выхода при л макс объясняется тем, что энергия поглощаемых фотонов становится недостаточной для возбуждения частиц люминофора.

Согласно закону Вавилова квантовый выход фотолюминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света в стоксовой области (v возб > v люм ) и резко падает в области антистоксова излучения (v возб < v люм ).

Величины квантового и энергетического выхода сильно зависят от природы люминофора и внешних условий. Это связано с возможностью бе-зизлучательных переходов частиц из возбужденного в нормальное состояние, так называемое тушение люминесценции. Основную роль в процессах тушения играют столкновения второго рода, в результате которых энергия возбуждения переходит во внутреннюю энергию теплового движения без излучения. Имеет место также резкое уменьшение интенсивности флуоресценции при чрезмерно большой концентрации молекул люминесцирующего вещества, называемое концентрационным тушением. В этом случае из-за сильной связи между частицами невозможно образование центров люминесценции.

4. Интенсивность свечения для спонтанной и метастабильной люминесценции изменяется с течением времени по экспоненциальному закону:

где I - интенсивность свечения в момент времени t, I 0 - интенсивность свечения в момент прекращения возбуждения люминесценции, - средняя продолжительность возбужденного состояния атомов или молекул люминофора.

Величина т имеет обычно порядок 10 -9 - 10 -8 сек. В отсутствие тушащих процессов т слабо зависит от условий и определяется в основном внутримолекулярными процессами.

5. Интенсивность рекомбинационного люминесцентного свечения изменяется с течением времени по гиперболическому закону:

где а и п - постоянные; величина а лежит в пределах от долей сек -1 до многих тысяч сек -1 ; , где I 0 - интенсивность рекомбинационной люминесценции в момент ее возбуждения; n заключено в пределах от 1 до 2.

В основе люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения некоторых люминофоров, которое находит применение в различных датчиках измерения температуры и термопокрытиях.

2. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

2 .1 Волоконно-оптические датчики

Волоконно-оптические датчики позволяют измерять многие характеристики лабораторных и промышленных объектов, в частности температуру. Не смотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ, использования подобных датчиков на практике: безиндукционность (т.е. неподверженность влиянию электромагнитной индукции); малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная стойкость и т.д.

Для измерения температуры с помощью световодов, изготовленных из кварцевого стекла, особенно подходит так называемый эффект Рамана. Свет в стеклянном волокне рассеивается на микроскопически малых колебаниях плотности, размер которых меньше длины волны. В обратном рассеивании можно найти, наряду с эластичной долей рассеивания (излучаемое рассеивание) на одинаковой длине волны, как проникший свет, так и дополнительные компоненты на других длинах волны, которые связаны с колебанием молекул и, тем самым с локальной температурой (комбинационное Рамановское рассеяние).

Волоконно-оптические датчики

Волоконно-оптические датчики (так же часто именующиеся оптические волоконные датчики) это оптоволоконные устройства для детектирования некоторых величин, обычно температуры или механического напряжения, но иногда так же смещения, вибраций, давления, ускорения, вращения (измеряется с помощью оптических гироскопов на основе эффекте Саньяка), и концентрации химических веществ. Общий принцип таких устройств в том, что свет от лазера (чаще всего одномодового волоконного лазера) или суперлюминесцентного оптического источника передается через оптическое волокно, испытывая слабое изменение своих параметров в волокне или в одной или нескольких брэгговских решетках, и затем достигает схемы детектирования, которая оценивает эти изменения.

В сравнении с другими типами датчиков, волокно-оптические датчики обладают следующими преимуществами:

· Они состоят из электрически непроводящих материалов (не требуют электрических кабелей), что позволяет использовать их, например, в местах с высоким напряжением.

· Их можно безопасно использовать во взрывоопасной среде, потому, что нет риска возникновения электрической искры, даже в случае поломки.

· Они не подвержены электромагнитным помехам (EMI), даже вблизи разряда молнии, и сами по себе не электризуют другие устройства.

· Их материалы могут быть химически инертны, то есть не загрязняют окружающую среду, и не подвержены коррозии.

· Они имеют очень широкий диапазон рабочих температур (гораздо больше, чем у электронных устройств).

· Они имеют возможность мультиплексирования; несколько датчиков в одиночной волоконной линии может быть интегрировано с одним оптическим источником (см. ниже).

Сенсоры на основе брэгговских решеток

Волоконно-оптические датчики зачастую основаны на волоконных брэгговских решетках. Основной принцип многих волоконно-оптических датчиков в том, что брэгговская длина волны (т.е. длина волны максимального отражения) в решетке зависит не только от периода брэгговской решетки, но также от температуры и механических напряжений. Для кварцевых волокон изменение брэгговской длины волны на единицу деформации примерно на 20% меньше, чем растяжение, так как есть влияние деформации на уменьшение показателя преломления. Температурные эффекты близки к ожидаемым только при тепловом расширении. Температурные и деформационные эффекты могут различаться при использовании различных технических средств (например, при использовании эталонной решетки, которая не подвержена деформации, или применении различных типов волоконных решеток) так, что оба значения регистрируются одновременно. Для регистрирования только деформации, разрешающая способность достигает нескольких µе (т.е. относительное изменение длин порядка) при этом точность имеет тот же порядок малости. Для динамических измерений (например, акустический явлений), достигается чувствительность большая чем 1 ме в 1 Hz полосы пропускания.

Распределенное зондирование

Другие оптоволоконные датчики не используют волоконные брэгговские решетки как сенсоры, используя в качестве сенсоров само волокно. Принцип зондирования в них основан на эффекте Рэлеевского рассеяния, Рамановского рассеяния или рассеяния Бриллюэна. Например, метод оптической рефлектометрии временной области, где положение области со слабым отражением может быть определено с использованием импульсного зондирующего сигнала. Этот метод используется также для определения других величин, например температуры или напряжения в зависимости от сдвига частоты Бриллюэна.

В некоторых случаях, измеряемая величина является средним значением по всей длине волокна. Этот метод характерен для некоторых температурных датчиков, а также для интерферометров, основанных на эффекте Саньяка, применяемых в качестве гироскопов. В других случаях измеряются позиционно-зависимые величины (например, температура или напряжение). Это называется распределенным зондированием.

Квази-распределенное зондирование

Определенные волокна могут содержать серию решеток сенсоров (см. выше) для мониторинга температуры и распределения деформации по всему волокну. Это называется квази-распределенным зондированием. Существуют различные технические решения для адресации только к одной решетке (и таким образом точного определения положения вдоль волокна)

В одном способе, называющимся мультиплексирование с разделением по всей длине волны (WDM), или оптической рефлектометрии в частотной области спектра (OFDR), решетки имеют немного различающуюся брэгговскую длину волны. Длина волны перестраиваемого лазера в блоке интегрирования может быть настроена на длину волны, принадлежащую к определенному типу решетки, а длина волны максимального отражения указывает на влияние деформации или, например температуры. Кроме того широкополосные источники света источники света (например суперлюминесцентные источники) могут быть использованы совместно со сканирующим длину волны фотодетектором (например на основе волоконного резонатора Фабри-Перо) или на основе CCD спектрометра. В любом случае, максимальное количество решеток, как правило, не превышает 10-50, что ограничено диапазоном настройки пропускной способности источника света и необходимой разностью длин волн в решётках волокна.

Другой метод, называемый временным разделением каналов (TDM), использует идентичные слабоотражающие решетки, в которые посылаются короткие световые импульсы. Отражение от различных решеток регистрируют посредством времени их поступления. Временное разделение каналов (TDM) часто используют вместе с разделением по всей длине волны (WDM) для того, чтобы умножить число различных каналов в сотни или даже тысячи раз.

Другие подходы

Помимо выше описанных подходов, есть много альтернативных методов. Вот некоторые из них:

· Волоконные брегговские решетки могут быть использованы в интерференционных оптических волокнах, где они используются только в качестве отражателей, и измеряют фазовый сдвиг, зависящий от расстояния между ними.

· Существуют лазерные брэгговские сенсоры, где датчик решетки располагается в последнем зеркале волоконно - оптического резонатора лазера, на основе волокна допированного эрбием, которое воспринимает свет накачки на длине волны 980 нм через волокно. Брэгговская длина волны, которая зависит, например, от температуры или механического напряжения, определяет длину волны генерации. Этот подход, который имеет много вариантов дальнейшего развития, обещает принести высокие результаты из-за узкой полосы спектральной области, которая характерная для волоконного лазера, и высокой чувствительности.

· В некоторых случаях, пары брэгговских решеток используются в качестве волокна для интерферометров Фабри-Перо, которые могут реагировать особо чувствительно на внешние воздействия. Интерферометр Фабри-Перо можно изготовить так же другим способом, например, используя переменный воздушный зазор в волокне.

· Длиннопериодные решетки особенно интересны для зондирования нескольких параметров одновременно (например, температуры и напряжения) или иначе, для альтернативного определения деформации при очень низкой чувствительности к температурным изменениям.

Области применения

Даже по прошествии нескольких лет развития, волоконно-оптические датчики до сих пор не пользуются большим коммерческим успехом, так как трудно заменить применяемые сейчас технологии, даже если они имеют определенные ограничения. Хотя в некоторых областях применения, волоконно-оптические датчики получают все большее признание, как технология с большим потенциалом интересных возможностей. Это, например, работа в жестких условиях, таких как зондирование в устройствах с высоким напряжением, или в СВЧ печах. Сенсоры на основе брэгговских решеток могут также быть использованы, например, для мониторинга условий, внутри крыльев самолетов, в ветровых турбинах, мостах, больших плотинах, нефтяных скважинах, и трубопроводах. Здания с встроенными волоконно-оптическими датчиками иногда называют «умными конструкциями», датчики в них осуществляют контроль деформации внутри различных частей конструкции, и получают данные об этих изменениях, например износе, вибрации и.т.д. Умные конструкции являются основной движущей силой для развития волоконно-оптических датчиков.

По материалам интернет-энциклопедии www.rp-photonics.com

2.2 Датчи к на основе теплового излучения

В качестве устройств для измерения температуры могут быть использованы волоконно-оптические датчики на основе теплового излучения, сущность которых состоит в следующем. Изучаемое вещество при температуре большей 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает тепловое излучение. Энергия излучения увеличивается по мере повышения температуры, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. Соответственно для определения температуры можно использовать формулу Планка для энергии теплового излучения черного тела на фиксированной длине волны или в диапазоне волн.

Основным преимуществом данного способа является возможность бесконтактного измерения высоких температур. В зависимости от диапазона измеряемых температур выбирают световые детекторы и оптические волокна. Область измерения температур для волоконно-оптических датчиков излучения находится в пределах от 400 до 2000 °С. При использовании оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более, можно осуществлять измерение и более низких температур.

2.3 Датчик на основе п оглощения света полупроводником

Известны также волоконно-оптические датчики, работа которых основана на оптических свойствах некоторых полупроводников. Используемый полупроводник имеет граничную длину волны спектра оптического поглощения. Для света с более короткой длиной волны, чем у проводника, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны отодвигается в сторону более длинных волн (около 3 нм/К). При подаче на полупроводниковый кристалл луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрестности указанной границы спектра поглощения, интенсивность света, проходящего через светочувствительную часть датчика, с повышением температуры будет падать. По выходному сигналу детектора, указанным методом можно регистрировать температуру.

Используя данный метод можно мерить температуру в интервалеот 30 до 300 °С с погрешностью ±0,5 °С.

2 .4 Датчик на основе флуоресценции

Данный датчик устроен следующим образом. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество. Флуоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Температурный сигнал выявляется путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности флуоресцентного излучения для сигнала с длиной волны, сильно зависящего от температуры к интенсивности сигнала с другой длиной волны, слабо зависящего от температуры.

Область измеряемых температур таким датчиком находится в пределах от -50 до 200° С с погрешностью ±0,1 °С.

3. ТЕРМОПОКРЫТИЯ

3.1 Общие сведения о термопокрытиях

Необходимость получения информации о поле температур на поверхности объектов сложной геометрической формы привела к появлению новых методов измерения температуры. В частности, в последнее время особое внимание уделяется разработке различных термических покрытий на основе специальных красителей, наносимых на изучаемую поверхность, и позволяющих получить информацию по всему полю температур одновременно. Метод индикации температуры с помощью термочувствительных покрытий подкупает простотой, рентабельностью и широтой возможностей при измерениях.

Применение термочувствительных покрытий особенно эффективно для исследования распределения температуры в печах различного назначения, в том числе для обжига породы в производстве минеральных удобрений, в газовых и паровых турбинах и т.п. Основными потребителями являются промышленность стройматериалов, производство минеральных удобрений, турбостроение, электронная и авиационная промышленности. Наибольший интерес представляют многопозиционные цветовые термоиндикаторы. Патентные исследования с глубиной поиска 20 лет показали, что ведущими странами в разработке термоиндикаторов являются Великобритания, США, Франция, Германия, Япония. Обнаружено, что патентов на многопозиционные термоиндикаторы, которые служат для контроля температурных полей, не существует. Имеются патенты Германии, Великобритании, США на термоиндикаторы, имеющие один цветовой переход, которые нельзя использовать для контроля температурных полей, а лишь для определения температуры в конкретной точке.

Существует четыре основных типа термоиндикаторов:

а) композиции, изменяющие цвет при определенной температуре, называемой критической или температурой перехода;

б) композиции, плавящиеся при определенной температуре;

в) жидкокристаллические термоиндикаторы, в определенном интервале температур переходящие в жидкокристаллическое состояние, обладающее свойством при незначительном изменении температуры так изменять свою структуру, что падающий на них луч света разлагается и отражается с изменением цвета.

г) люминесцирующие композиции, яркость или цвет свечения которых зависит от температуры.

К первому типу относятся специальные покрытия, включающие термочувствительные пигменты.

Ко второму типу относятся карандаши, лаки, таблетки и т. п., содержащие компоненты, при плавлении которых они становятся прозрачными.

К третьему типу относятся люминофоры, которые либо «гаснут» при определенной температуре, либо яркость и цвет их свечения строго зависят от температуры.

По своим физико-химическим превращениям термоиндикаторы подразделяются на три группы: обратимые, необратимые и квазиобратимые.

К обратимым относятся термоиндикаторы, которые изменяя цвет при нагревании до температуры перехода или выше ее, восстанавливают первоначальную окраску при понижении температуры ниже критической.

Необратимыми являются такие, в которых при нагревании происходят необратимые процессы (химические или физические), в результате чего первоначальный цвет после последующего охлаждения не восстанавливается.

Квазиобратимыми называют термоиндикаторы, которые, изменяя свой цвет при нагревании до температуры перехода или выше, восстанавливают его при последующем понижении температуры постепенно под действием влаги. Они могут применяться многократно.

3.2 Покрытия, изменяющие цвет

Как правило, все лакокрасочные покрытия при нагревании изменяют первоначальную окраску (выцветают). Здесь можно сослаться на классическую работу С. И. Вавилова. Однако это нежелательное явление может быть использовано как термометрическое свойство. Конечно, не все вещества пригодны для индикации температуры. Термоиндикаторами являются лишь такие соединения, которые быстро и четко изменяют свой первоначальный цвет при критической температуре.

К термоиндикаторам предъявляются следующие требования: цвета покрытия до воздействия критической температуры и после него должны различаться; изменение цвета должно происходить в узком температурном интервале и температура перехода должна быть стабильной; изменение цвета должно происходить достаточно быстро (менее чем за 0,1 -- 1 сек); должно отсутствовать вредное влияние на объект измерения; происходящие превращения не должны сопровождаться выделением вредных газов.

По принципу действия термочувствительные покрытия можно подразделить на следующие основные виды: покрытия с химическим взаимодействием компонентов; покрытия, в которых происходит плавление компонентов; поверхностно-градиентные покрытия; термохромные покрытия.

Термоиндикаторы с химическим взаимодействием компонентов. Для этого типа термоиндикаторов изменение цвета пленок связано с изменением химического состава или строения кристаллической решетки термочувствительных пигментов (изменением кислотности, кристаллической структуры, прохождением реакций дегидратации, термического разложения и твердофазных).

Существуют термоиндикаторы, которые в процессе нагревания могут многократно изменять цвет; некоторые претерпевают до 12 изменений цвета. Для их изготовления используются смеси термочувствительных пигментов.

Существенный недостаток этих пигментов в том, что они вызывают коррозию металлов, на которые наносятся, так как эти металлы реагируют с йодидами, вытесняя ртуть. В связи с этим при их непосредственном нанесении необходимо защищать металлическую.поверхность или наносить их на ленты из ткани, бумаги, нержавеющей фольги и т. п., которые затем следует наклеивать на интересующий нас участок поверхности.

3.3. Термоиндикаторы плавления и на основе жидких кристаллов

Плавящиеся покрытия. Термоиндикаторы плавления представляют собой материалы, суспензированные в инертном растворителе или связующем. Их выпускают в виде термокарандашей (мелков), термолаков, термотаблеток. В качестве индикаторных материалов для низкотемпературных образцов применяются воск, стеарин, парафин, а для средне- и высокотемпературных-- соединения серы, цинка, свинца, меди и т.п.

Термокарандаши представляют собой термочувствительные цветные мелки, имеющие калиброванные точки плавления. При измерениях термокарандашом на исследуемую поверхность наносится риска, которая плавится при достижении поверхностью определенной температуры. Следует иметь в виду, что в процессе нагревания метки карандаша постепенно изменяют свой цвет. Однако в отличие от термочувствительных карандашей, изменяющих цвет при определенной температуре, изменение цвета этого вида карандашей не является сигналом о достижении поверхностью какой-то определенной температуры. Для термокарандашей плавления значение температуры может быть получено только при изменении агрегатного состояния (переходе от твердого к жидкому).

Термолак состоит из веществ, близких по своему составу к индикаторным веществам термокарандашей плавления. Эти вещества взвешены в химически инертном растворителе. Лак на поверхности образует шероховатое непрозрачное покрытие. При определенной температуре пленка плавится, образуя глянцевую цветную или прозрачную поверхность.

Термоиндикаторные таблетки (или порошок) того же состава, что и карандаши и лаки, помещаются на рабочую поверхность. Появление на линии контакта таблетки (порошка) с поверхностью признаков плавления свидетельствует о достижении поверхностью определенной температуры. Эти термоиндикаторы необратимы.

Термосвидетели. К этому виду индикаторов температуры относятся пластинки (кубики) из чистого металла либо из сплава с калиброванной температурой плавления. При определении температуры набор этих кубиков нанизывается на тугоплавкую проволоку, которая крепится в требуемой зоне. По мере достижения некоторого фиксированного значения температуры кубик плавится, свидетельствуя о том, что эта температура достигнута. Варьируя составом веществ, можно получить термосвидетели на весьма значительный температурный интервал. К термосвидетелям могут быть отнесены и специальные наклейки -- кусочки из пластмассы, которые чернеют в диапазоне температур 100--500° С. Точность, с которой можно фиксировать температуру с помощью этих наклеек, составляет Термосвидетели относятся к необратимым термоиндикаторам.

Поверхностно - градиентные покрытия. Этот тип термоиндикаторов составляют так называемые жидкие кристаллы. Некоторые органические соединения образуют жидкие кристаллы, которые одновременно обладают свойствами жидкости (большая текучесть, способность находиться в каплевидном состоянии) и твердого кристаллического тела (анизотропия).

В качестве термоиндикаторов могут быть использованы жидкие кристаллы стеринового ряда (холестерин). При изменении температуры на сотые доли градуса свет, отраженный от покрытия из жидких кристаллов, резко меняет спектральный состав.

Холестериновые жидкие кристаллы имеют винтообразную закрученную структуру; этим, видимо, объясняется их сильная оптическая активность.

Жидкие кристаллы бывают двух видов: кристаллы (к ним относятся и холестерины), вязкость которых близка к вязкости воды, и кристаллы, вязкость которых примерно в 10 раз больше. Жидкие кристаллы образуют органические соединения, молекулы которых имеют удлиненную палочкообразную форму.

Как правило, жидкие кристаллы-термоиндикаторы образуются сложными эфирами холестерина.

Но бывают термочувствительные жидкие кристаллы, не относящиеся к соединениям холестерина.

3.4 Люминесцентные покрытия

Люминесцирующими веществами -- люминофорами -- являются вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждений.

Само слово «люминофоры» не связано с температурой («люмен» -- свет, «форос» -- несущий), однако у этого вида термоиндикаторов оказалось возможным использовать в качестве термометрического свойства нежелательную в общем случае зависимость некоторых их характеристик от температуры. Во-первых, изменение яркости свечения при постоянном возбуждении люминофора, причем эта зависимость может быть очень резкой. Например, смесь сульфидов цинка и кадмия, активированная серебром (ZnSCdS*Ag), изменяет свою эмиссионную способность на 20% при изменении температуры на 1 °С. Во-вторых, для каждого люминофора существует строго определенная температура, при которой он перестает светиться, причем для известных веществ диапазон температур очень широк. Например, для свинцовистого бария, активированного вольфрамом (ВаРЬ*W), эта температура равна минус 100° С, а для окиси алюминия, активированной хромом (синтетический рубин Al2O3*Сr), она достигает 1000°С. В-третьих, резкое изменение цвета свечения. Например, сульфид цинка, активированный марганцем (ZnS*Mn), светящийся при комнатной температуре голубым цветом, при температуре 90 °С излучает желтое свечение. В-четвертых, изменение цветового тона свечения. Эта зависимость имеет место для большой группы люминофоров.

Для индикации температуры, как правило, используются фотолюминофоры (возбуждение ультрафиолетовым и видимым светом), что связано с большей доступностью источника возбуждения. Оптимальным источником возбуждения является ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,365 мкм 2 .

Флуоресцирующими веществами, применяемыми в качестве термоиндикаторов, могут быть как органические красители, например, родамин

так и неорганические, например сернистый цинк или его смесь с сернистым кадмием.

Однако чаще для индикации температуры применяются вещества, обладающие фосфоресцирующими свойствами. Это высококристаллические материалы, которые обозначаются формулами типа MeR*A (МеR -- основа люминофора; А -- активатор). Например, кроме уже упомянутых выше веществ, для этих целей используются ZnS(48)CdS(52)*Ag(0,01)--смесь сульфидов цинка и кадмия, активированная серебром (в скобках приводится весовое содержание компонентов в процентах); ZnS(60)ZnSe(40) --сульфид цинка с cеленидом цинка; ZnS(60)ZnSe(40)*Ag(0,005) -- смесь сульфида цинка с селенидом цинка, активированная серебром; ZnS(60)ZnSe(40)*Сu(0,005) -- смесь сульфида цинка с селенидом цинка, активированная медью; ZnS(88)Сd(12)*Сu(0,008)--смесь сульфидов цинка и кадмия, активированная медью; ZnS*Ag(0,01)*Cu(0,005) --сульфид цинка, активированный серебром и медью; ZnS*Мn(0,06) --сульфид цинка, активированный марганцем. Варьируя состав базы люминофора и особенно активатор и его концентрацию, можно получить требуемую зависимость температуры от интенсивности свечения, цветового тона, а также критическое значение температуры, при которой люминофор перестает светиться или резко изменяет цвет свечения.

При возбуждении люминофора энергия поглощается как на уровнях активатора, так и в основном веществе люминофора. В первом случае происходит возбуждение электронов атома активатора. Возвращение их в основное состояние сопровождается излучением света с длиной волны, характерной для данного активатора. У этого типа люминофоров, называемого характеристическим, электронные переходы, связанные с поглощением и излучением энергии, происходят внутри иона активатора, который входит в кристаллическую решетку основы люминофора. Этот класс люминофоров характеризуется экспоненциальным законом затухания.

Во втором случае энергия, поглощенная в основе люминофора, передается ионам активатора. Процесс передачи энергии осуществляется переносом электронов и дырок, а излучение происходит в результате рекомбинации свободных электронов с любым центром свечения. Этот класс люминофоров характеризуется сложным законом затухания люминесценции. Первая кратковременная стадия процесса затухания происходит по экспоненциальному закону, а на дальнейшей стадии затухание продолжается по гиперболическому закону. В этой области интенсивность свечения зависит от температуры. Люминофоры являются обратимыми термоиндикаторами.

Люминоформы начали применять для индикации температуры в 50-е годы. Первые фотолюминесцентные пигменты были разработаны в Германии в 1940-- 1942 гг. В 1945 г. впервые оговорен был способ получения флуоресцентных пигментов в США. В последующие годы их разработка и производство развивались быстрыми темпами. В Англии и Франции люминофоры появились позже. Значительно развито производство люминофоров в Японии. Американская компания Eastman Kodak выпускает ряд люминофоров на достаточно широкий температурный интервал с высокой чувствительностью: при изменении температуры на 1 °C яркость свечения меняется на 20%. Американская фирма U.S. Radium выпускает люминофоры, перекрывающие диапазон температур 25-400 °С. Их чувствительность также высока. Например, Для одного из них, работающего в диапазоне 25--70 °С, 25%-ное падение яркости свечения соответствует изменению температуры на 1 °С.

Высокая чувствительность этого типа термоиндикаторов, их безинерционность является несомненным достоинством люминофоров. Однако по сравнению с другими приведенными типами они имеют существенные недостатки:

а) необходимость облучения покрытия ультрафиолетовым светом, что само по себе не вызывает трудностей, но требует наличия источника ультрафиолетового излучения;

б) необходимость поддержания постоянной интенсивности потока возбуждения, так как яркость свечения люминофора зависит от возбуждения;

в) необходимость фиксировать изменение свечения на пленке, поскольку люминофоры являются обратимыми термоиндикаторами, что также требует применения дополнительной аппаратуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленный в работе обзор информации по люминесцентным методам измерения температуры дает право утверждать, что эти методы являются перспективными и востребованными.

В основе люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения некоторых люминофоров. На базе этого свойства и построена работа люминесцентных оптоволоконных датчиков и термопокрытий.

В сравнении с другими типами датчиков, волоконно-оптические датчики обладают рядом преимуществ. Это электрическая нейтральность, коррозийная стойкость, неподвержены электромагнитным помехам.

Хотя люминесцентные оптоволоконные датчики более сложные в использовании, но они дают более точные показания нежели другие виды датчиков.

Термопокрытия дают возможность получать информацию о поле температур на поверхностях сложной геометрической формы одновременно.

Этот метод очень широко применяется в авиационной и космической, химической и других отраслях промышленности. Термопокрытия достаточно просты в использовании и дают большую точность измерения(25%-ное падение яркости свечения может соответствует изменению температуры на 1 °С.), а также являются безинерционными, что является очень важной характеристикой при измерении температуры.

Из вышеприведенного обзора очевидна необходимость дальнейшей разработки и совершенствования технологий измерения температуры с использованием люминесцентных методов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абрамович Б.Г. Термоиндикаторы и их применение. - М.: Энергия, 1972.

2. Большая советская энциклопедия, (эл. версия).

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

4. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем., М.: Металлургия, 1980

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Методики, используемые при измерении температур пламени: контактные - с помощью термоэлектрического термометра, и бесконтактные - оптические. Установка для измерения. Перспективы применения бесконтактных оптических методов измерения температуры пламени.

курсовая работа , добавлен 24.03.2008


Основные шкалы измерения температуры. Максимальное и минимальное значение в условиях Земли. Температура среды обитания человека. Температурный фактор на территории Земли. Распределение температуры в различных областях тела в условиях холода и тепла.

доклад , добавлен 18.03.2014


Разработка и совершенствование технологий измерения температуры с использованием люминесцентных, контактных и бесконтактных методов. Международная температурная шкала. Создание спиртовых, ртутных, манометрических и термоэлектрических термометров.

курсовая работа , добавлен 07.06.2014


Средства измерения температуры. Характеристики термоэлектрических преобразователей. Принцип работы пирометров спектрального отношения. Приборы измерения избыточного и абсолютного давления. Виды жидкостных, деформационных и электрических манометров.

учебное пособие , добавлен 18.05.2014


Понятие и источники теплового излучения, его закономерности. Классификация пирометрических методов и приборов измерения температур. Устройство и принцип работы пирометра типа ОППИР-09, методика проведения его поверки, возможные поломки и их ремонт.

курсовая работа , добавлен 02.12.2012


Характеристика величины, характеризующей тепловое состояние тела или меры его "нагретости". Причина Броуновского движения. Прародитель современных термометров, их виды. Единицы измерения температуры, типы шкал. Эксперимент по изготовлению термоскопа.

презентация , добавлен 14.01.2014


Основные сведения о температуре и температурных шкалах, возможность проводить измерение. Использование на практике термометров и требования к средствам измерений, входящих в состав государственных эталонов соответствующих диапазонов температуры.

реферат , добавлен 27.03.2009


Общие положения теории люминесценции. Разгорание и затухание люминесценции. Зависимость интегральной и мгновенной яркости электролюминесценции от напряжения, частоты, температуры. Действие на люминофоры инфракрасного излучения. Электрофотолюминесценция.

дипломная работа , добавлен 05.04.2008


Определение линейного теплового потока методом последовательных приближений. Определение температуры стенки со стороны воды и температуры между слоями. График изменения температуры при теплопередаче. Число Рейнольдса и Нусельта для газов и воды.

контрольная работа , добавлен 18.03.2013


Методика численного решения задач нестационарной теплопроводности. Расчет распределения температуры по сечению балки явным и неявным методами. Начальное распределение температуры в твердом теле (временные граничные условия). Преимущества неявного метода.

Введение
Высокопроизводительная, экономичная и безопасная работа технологических агрегатов машиностроительной промышленности требует применения современных методов и средств измерения величин, характеризующих ход производственного процесса и состояние оборудования.
Основными параметрами (величинами), которые необходимо контролировать при работе агрегатов, является температура различных сред; расход, давление, состав газов и жидкостей; состав металлов; геометрические размеры проката. Автоматическими приборами измеряется температура: в рабочих пространствах металлургических печей, выплавляемого и нагреваемого металла, элементов огнеупорной кладки, конструкции регенераторов и рекуператоров, а так же продуктов сгорания топлива.
В истории развития мировой техники можно выделить три основных направления: создание машин-двигателей (водяных, ветряных, паровых, внутреннего сгорания, электрических), которые освободили человека от тяжелого физического труда; создание машин-орудий, т. е. станков и технологического оборудования различного назначения; создание устройств для контроля и управления машинами-двигателями, машинами-орудиями и технологическими процессами.

Глава 1. Методы и технические средства измерения температуры
1.1 Измерение температуры
Существуют два основных способа для измерения температур – контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника. Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.
Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от исследуемого объема. Этот способ менее чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76),
По принципу действия все термометры делятся на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:
1 Термометры расширения от -260 до +700 °С, основанные на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры.
2 Манометрические термометры от -200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме от изменения температуры.
3. Термометры электрического сопротивления стандартные от -270 до +750 °С, преобразующие изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников.
4. Термоэлектрические термометры (или пирометры), стандартные от -50 до +1800 °С, в основе преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников.
Пирометры излучения от 500 до 100000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом,
Термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С (термошумовые термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные
1.2 методы измерения температуры
Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур – упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.
Наиболее часто при получении шкалы температур используются свойства вода. Точки таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении выбраны в качестве реперных точек в современных (но не обязательно изначальных) температурных шкалах, предложенных Андерсом Цельсием (1701 – 1744), Рене Антуаном Фершо Реомюром (1683 – 1757), Даниэлем Габриэлем Фаренгейтом (1686 – 1736). Последний создал первые практически пригодные спиртовой и ртутный термометры, широко используемые до сих пор. Температурные шкалы Реомюра и Фаренгейта применяют в настоящее время в США, Великобритании и некоторых других странах.
Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному кельвину (см. ниже). При этом температура таяния льда берется равной 0 oC, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 oC. Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки.
После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала – термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала подробно рассмотрена в третьей главе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина) (1824 – 1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала – международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек – температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.
В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.
Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина – легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.
Тело, с помощью измерения термометрического признака которого осуществляется измерение температуры, называется термометрическим телом.
Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т. д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару.
Приводя термометрическое тело (датчик термометра) в состояние теплового контакта с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же значение температуры, которое показывает термометр.
Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах – приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее это явление рассмотрено в разделе курса, посвящённом квантовым свойствам равновесного теплового излучения. Сейчас мы только отметим, что оптическая пирометрия (бесконтактные методы измерения температур) используется в металлургии для измерения температуры расплава и проката, в лабораторных и производственных процессах, где необходимо измерение температуры нагретых газов, а также при исследованиях плазмы.
Первый термометр был изобретён Галилео Галилеем (1564 – 1642) и представлял собой газовый термометр.
Газовый термометр постоянного объёма состоит из термометрического тела – порции газа, заключенной в сосуд, соединенный с помощью трубки с манометром. Измеряемая физическая величина (термометрический признак), обеспечивающая определение температуры, – давление газа при некотором фиксированном объёме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т. д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.
Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра – хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур (о ней подробно будет сказано ниже). Во второй главе мы подробнее опишем идеально-газовый термометр, определяющий абсолютную шкалу температур.
Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной. Это связано с тем, что плотность жидкостей нелинейным образом зависит от их температуры.
Жидкостной термометр – это наиболее часто используемый в обыденной жизни термометр, основанный на изменении объёма жидкости при изменении её температуры. В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является ртуть, помещенная в стеклянный баллон с капилляром. Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -35 oC до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300 oC) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 107 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Применение в жидкостном термометре вместо ртути таллия позволяет существенно понизить нижнюю границу измерения температуры до -59 oC.
Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -80 oC до +80 oC) и пентановый (от -200 oC до +35 oC). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.
С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.
В металлическом термометре сопротивления измерение температуры основано на явлении роста сопротивления металла с ростом температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка к линейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К (температурный коэффициент сопротивления) имеет величину близкую к 4*10-3 1/К. Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела – металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия. При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.
В полупроводниковом термометре сопротивления (термисторе) измерение температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.
Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.
Другой принцип измерения температуры реализован в термопарах. Термопара представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (свободный спай) – при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а, следовательно, температуру измерительного спая.
В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком – возникающая в цепи термо-ЭДС. Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур от нескольких десятков кельвин (температуры жидкого азота) до полутора тысяч градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных металлов. Наибольшее применение нашли термопары на основе спаев следующих материалов: медь-константан, железо-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина.
Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.
В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот. Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов.

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА БЕСКОНТАКТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Thermopiles – это термоэлементы включенные последовательно, которые используют известный Seebeck – эффект. Термоэлемент состоит из двух электропроводных материалов, которые расположены в виде проводящих дорожек и которые в одной точке (так называемой hot junction) контактируют друг с другом. Если за счет внешнего воздействия возникнет разница температур между точкой контакта (hot junction) и обеими открытыми концами (cold junction), то на обоих концах термоэлементов появится напряжение в несколько милливольт.
При бесконтактном способе измерения температуры повышение температуры точки «hot junction» вызывается за счет абсорбирования попадающего в эту точку инфракрасного излучения. Каждый объект излучает инфракрасный свет, причем энергия этого света повышается с повышением температуры объекта. Базируясь на этом эффекте Thermopile-модули измеряют излучаемую мощность и таким образом с высокой точностью определяют температуру объекта.
2.1 Люминесцентный метод измерения температуры
измерение температура люминесцентный бесконтактный
В основе люминесцентных методов измерения температуры лежит температурная зависимость интенсивности люминесцентного излучения некоторых люминофоров, которое находит применение в различных датчиках измерения температуры и термопокрытиях.
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять многие характеристики лабораторных и промышленных объектов, в частности температуру. Не смотря на то, что их использование достаточно трудоемко, оно дает ряд преимуществ, использования подобных датчиков на практике:
безындукционность (т. е. неподверженность влиянию электромагнитной индукции); малые размеры датчиков, эластичность, механическая прочность, высокая коррозийная стойкость и т. д.
1. Датчик на основе теплового излучения. В качестве устройств для измерения температуры могут быть использованы волоконно-оптические датчики на основе теплового излучения, сущность которых раскрываемая в частности в состоит в следующем. Изучаемое вещество при температуре большей 0 К вследствие тепловых колебаний атомов и молекул испускает тепловое излучение. Энергия излучения увеличивается по мере повышения температуры, а длина волны, на которой излучение максимально, уменьшается. Соответственно для определения температуры можно использовать формулу Планка для энергии теплового излучения черного тела на фиксированной длине волны или в диапазоне волн.
Основным преимуществом данного способа является возможность бесконтактного измерения высоких температур. В зависимости от диапазона измеряемых температур выбирают световые детекторы и оптические волокна. Область измерения температур для волоконно-оптических датчиков излучения находится в пределах от 400 до 2000 °С. При использовании оптических волокон, прозрачных для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более, можно осуществлять измерение и более низких температур.
2. Датчик на основе поглощения света полупроводником. Известны также волоконно-оптические датчики, работа которых основана на оптических свойствах некоторых полупроводников. Используемый полупроводник имеет граничную длину волны спектра оптического поглощения. Для света с более короткой длиной волны, чем у проводника, поглощение усиливается, причем по мере роста температуры граничная длина волны отодвигается в сторону более длинных волн (около 3 нм/К). При подаче на полупроводниковый кристалл луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрестности указанной границы спектра поглощения, интенсивность света, проходящего через светочувствительную часть датчика, с повышением температуры будет падать. По выходному сигналу детектора, указанным методом можно регистрировать температуру.
Используя данный метод можно мерить температуру в интервале от 30 до 300 °С с погрешностью ±0,5 °С.
3. Датчик на основе флуоресценции. Данный датчик устроен следующим образом. На торец оптического волокна светочувствительной части нанесено флуоресцентное вещество. Флуоресцентное излучение, возникающее под воздействием ультрафиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принимается этим же волокном. Температурный сигнал выявляется путем вычисления отношения соответствующих значений интенсивности флуоресцентного излучения для сигнала с длиной волны, сильно зависящего от температуры к интенсивности сигнала с другой длиной волны, слабо зависящего от температуры.
Область измеряемых температур таким датчиком находится в пределах от -50 до 200 °С с погрешностью ±0,1 °С.
Использование волоконно-оптических датчиков, при всей своей привлекательности, позволяет производить измерение температуры только в локальной точке объекта, что несколько сужает область их применения.
Заключение
Температура является одним из основных параметров, подлежащих контролю со стороны систем автоматического управления металлургическими процессами. В условиях агрессивных сред и высоких температур, наиболее подходящими для использования являются фотоэлектрические пирометры. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния температурного поля нагретого тела на измеритель, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Так же фотоэлектрические пирометры обеспечивают непрерывное автоматическое измерение и регистрацию температуры, что позволяет использовать их в системах автоматического управления процессами без дополнительных затрат на приобретение и обслуживание устройств сопряжения.
Представленный в работе обзор люминесцентных методов измерения
температуры по сравнению с контактными методами обладает теми же преимуществами, что и оптические методы. В то же время он является менее сложным при организации процесса изучения температуры и не менее точным по сравнению с другими оптическими методами. Кроме того, использование свойств люминесценции делает возможным разработку методов измерения температурных полей объектов сложной геометрической формы.
Из вышеприведенного обзора очевидна необходимость дальнейшей разработки и совершенствования технологий измерения температуры с использованием люминесцентных методов

Список литературы
1. Преображенский В. П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978, – 704 с
2. Чистяков С. Ф., Радун Д. В. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Высшая школа, 1972, – 392
3. Измерения в промышленности: Справ. Изд.
4. Никоненко В. А., Сильд Ю. А., Иванов И. А. системы метрологического обеспечения измерительных тепловизионных приборов. – Измерительная техника
5. Акылбаев Ж. С. Новые оптические методы исследования тепломассопереноса. Алматы: Гылым, 1995.
6. Большая советская энциклопедия, (эл. версия).
7. Годжаев Н. М. Оптика. Учебн. Пособие для вузов. М.: Высш. Школа, 1977.
8. Карицкая С. Г. Диагностика полей температур и скоростей люминесцентными методами. Дисс. на соискание ученой степени к. фм. н., 1997 год.
9. Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Наука, 1976.
10. Линевег Ф. Измерение температур в технике. Справочник. Пер. с нем., М.: Металлургия, 1980.
11. vи др. Волоконнооптические датчики. Пер. с япон. Л.: Энергоктомиздат. Ленингр. отние, 1991.
12. Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике. М.: Наука, 1971.

Для контроля нагрева электрооборудования применяют четы­ре метода измерений: метод термометра, метод сопротивления, метод термопары и метод инфракрасного излучения.

Метод термометра применяют для измерения температуры до­ступных поверхностей. Используют ртутные, спиртовые и толу­оловые стеклянные термометры, погружаемые в специальные гиль­зы, герметически встроенные в крышки и кожухи оборудования. Ртутные термометры обладают более высокой точностью, но при­менять их в условиях действия электромагнитных полей не реко­мендуется ввиду высокой погрешности, вносимой дополнитель­ным нагревом ртути вихревыми токами.

При необходимости передачи измерительного сигнала на рас­стояние нескольких метров (например, от теплообменника в крыш­ке трансформатора до уровня 2...3 м от земли) используют тер­мометры манометрического типа, например термосигнализаторы ТСМ-10. Прибор состоит из термобаллона и полой трубки, соеди­няющей баллон с пружиной показывающей части прибора. Прибор заполнен жидким метилом и его парами. При изменении измеряе­мой температуры изменяется давление паров хлористого метила, который передается стрелке прибора. Достоинство манометричес­ких приборов заключается в их вибрационной устойчивости.

Метод сопротивления основан на учете изменения величины сопротивления металлического проводника от его температуры.

Для мощных трансформаторов и синхронных компенсаторов применяют термометры с указателем манометрического типа. Об­щий вид (а) и схема включения (б) такого термометра показаны на рис. 3.1. В зависимости от температуры жидкость, заполняющая измерительный щуп прибора, воздействует через соединительную капиллярную трубку и систему рычагов на стрелку указателя.

Рис. 3.1. Дистанционный электротермометр манометрического типа: а - общий вид; б - схема включения; 1 и 2 - сигнальные контакты; 3 - реле

В таком термометре стрелки указателя имеют контакты 1 и 2 для сигнализации температуры, заданной установкой. При замы­кании контактов срабатывает соответствующее реле 3 в схеме сигнализации. Для измерения температуры в отдельных точках синхронных компен­саторов (в пазах для измерения стали, между стержнями обмоток для измере­ния температуры обмоток и других точ­ках) устанавливаются терморезисторы. Сопротивление резисторов зависит от температуры нагрева в точках измерения. Терморезисторы изготовляют из плати­новой или медной проволоки, их сопро­тивления калиброваны при определенных температурах (при температуре О °С для платины сопротивление равно 46 Ом, для меди - 53 Ом; при температуре 100 °С для

платины - 64 Ом, для меди - 75,5 Ом соответственно).

Рис. 3.2. Схема измерения температур с помощью терморезистора

Такой терморезистор R4 включается в плечо моста, собранного из рези­сторов (рис. 3.2). В одну из диагоналей моста включается источник питания, в другую - измерительный прибор. Резисторы R1... R4 в плечах моста подбираются таким образом, что при номинальной температуре мост находится в равновесии и ток в цепи прибора отсутствует. При отклонении температуры в любую сторону от номинальной изменяется сопротивление терморезистора R4, на­рушается баланс моста и стрелка прибора отклоняется, показы­вая температуру измеряемой точки. На этом же принципе основан переносной прибор (рис. 3.3). Перед измерением стрелка прибора должна находиться в нулевом положении.

Рис. 3.3. Электротермометр (переносной) для контроля нагрева контакт­ных соединений:

а - общий вид; б - схема; 1 - муфта для соединения с изолирующей штангой;

2 - микроамперметр; 3 - резистор с регулируемым сопротивлением (R5); 4-

терморезистор (RT); 5 - контроль; 6 - измерение; П - переключатель на два

положения; К - кнопка для подачи напряжения на схему

Для этого кнопкой К подается питание, переключатель П устанавливается в положение 5 и переменным резистором R5 стрелку прибора устанавлива­ют на нуль. Затем переключатель П переводится в положение 6 (измерение).

Измерение температуры контактов производится прикоснове­нием головки датчика к поверхности контакта и нажатием штан­ги на головку электротермометра (при нажатии замыкается кноп­ка К и питание подается в схему). Через 20... 30 с измеренное зна­чение температуры контакта считывается со шкалы прибора.

Средством дистанционного измерения температуры обмотки и стали статора генераторов, синхронных компенсаторов, темпера­туры охлаждающего воздуха, водорода являются термометры со­противления, в которых также использована зависимость величи­ны сопротивления проводника от температуры. Конструкции тер­мометров сопротивления разнообразны. В большинстве случаев - это бифилярно намотанная на плоский изоляционный каркас тон­кая медная проволока, имеющая входное сопротивление 53 Ом при температуре 0 °С.

В качестве измерительной части, работающей в совокупности с термометрами сопротивления, применяют автоматические элек­тронные мосты и логомеры, снабженные температурной шкалой.

Таблица 3.3 Технические характеристики пирометров и тепловизоров

Марка прибора	Диапазон контролируемых температур, °С	Наибольшеерасстояние доконтролируемогообъекта, м	Погрешность измерений, %	Показатель визирования		Напряжение источника питания, В
Тепловизор «Интекс»
Тепловизион-ныеконтрольные системы:
«Иртис-2000»

Таблица 3.4

Охлаждающая среда и контроль за статором, подшипниками, уплотнениями роторов в генераторах ТВФ и ТВВ

Элементы	Число датчиков турбогенератора
турбогенератора
Статор: обмотка
активная сталь
Охлаждающий газ:
холодный
нагретый
Дистиллят в обмотке статора:
на выходе
Вода в охладителях итеплообменниках:
холодная
нагретая
Подшипники иуплотнения:
вкладыши
входящее масло
выходящее масло

Установку термометров сопротивления в статор машины выпол­няют при ее изготовлении на заводе. Медные термометры сопро­тивления укладывают между стержнями обмотки и на дно паза.

Метод термопары основан на использовании термоэлектриче­ского эффекта, т. е. зависимости ЭДС в цепи от температуры точек соединения двух разнородных проводников, например: медь-константан, хромель-копель и др. Если измеряемая температура не превышает 100... 120°С, то между термоЭДС и разностью темпе­ратур нагретых и холодных концов термопары существует про­порциональная зависимость.

Термопары присоединяют к измерительным приборам компен­сационного типа, потенциометрам постоянного тока и автомати­ческим потенциометрам, которые предварительно градуируют. С помощью термопар измеряют температуры конструктивных эле­ментов турбогенераторов, охлаждающего газа, активных частей, например активной стали статора.

Метод инфракрасного излучения положен в основу приборов, работающих с использованием фиксации инфракрасного излуче­ния, испускаемого нагретыми поверхностями. К ним относятся пирометры, применяемые для измерения температур нагретых тел (табл. 3.3).

В табл. 3.4 приведены элементы турбогенераторов серий ТВФ и ТВВ и охлаждающая среда, температура которых измеряется ука­занными средствами теплового контроля.

Помимо температуры на обслуживаемом оборудовании также контролируют давление водорода, общий расход и давление дис­тиллята в обмотке статора, расход и давление воды в охладителях и теплообменниках, так как от параметров охлаждающих агентов не­посредственно зависит температура элементов статора и ротора.

Совокупность приёмов использования принципов и средств изме-

рений составляет метод измерения. Различные методы измерений

отличаются прежде всего организацией сравнения измеряемой вели-

чины с единицей измерения. С этой точки зрения все методы измере-

ний в соответствии с ГОСТ 16263–70 подразделяются на две группы:

методы непосредственной оценки и методы сравнения. Методы срав-

нения в свою очередь включают в себя метод противопоставления,

дифференциальный метод, нулевой метод, метод замещения и метод

совпадений.

При методе непосредственной оценки значение измеряемой ве-

личины определяют непосредственно по отсчётному устройству изме-

рительного прибора прямого действия (измерительный прибор, в ко-

тором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала

измерительной информации в одном направлении, т.е. без обратной

связи). На этом методе основаны все показывающие (стрелочные)

приборы (вольтметры, амперметры, ваттметры, счётчики электриче-

ской энергии, термометры, тахометры и т.п.). Следует отметить, что

при использовании данного метода измерений мера как вещественное

воспроизведение единицы измерения, как правило, непосредственно в

процессе измерения не участвует. Сравнение измеряемой величины с

единицей измерения осуществляется косвенно путём предварительной

градуировки измерительного прибора с помощью образцовых мер или

образцовых измерительных приборов. 22

Точность измерений по методу непосредственной оценки в боль-

шинстве случаев невелика и ограничивается точностью применяемых

измерительных приборов.

Метод сравнения с мерой – это такой метод измерений, в кото-

ром измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой

мерой. Примеры этого метода: измерение массы на рычажных весах с

уравновешиванием гирями; измерение напряжения постоянного тока

на компенсаторе сравнением с ЭДС нормального элемента.

Метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и ве-

личина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на при-

бор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение

между этими величинами, называется методом противопоставления.

Это, например, измерение массы на рычажных весах с помещением её

и уравновешивающих гирь на две чаши весов при известном соотно-

шении плеч рычага весов. В этом случае при качественном выполне-

нии устройства сравнения (малое трение в опорах, стабильность соот-

ношения плеч рычага и т.п.) может быть достигнута высокая точность

измерений (пример – аналитические весы).

Дифференциальный метод – это метод сравнения с мерой, в ко-

тором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой

величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Этот метод

позволяет получать результаты измерений с высокой точностью даже

в случае применения относительно неточных измерительных прибо-

ров, если с большой точностью воспроизводится известная величина.

Рассмотрим следующий пример. Необходимо измерить постоян-

ное напряжение, истинное значение которого равно Ux = 99,0 В.

В распоряжении экспериментатора имеется набор вольтметров (или

один многопредельный) с пределами измерения 0,01; 0,1; 1 В. Пусть

погрешность каждого вольтметра при измерении величины, значение

которой равно пределу измерения, составляет 1%. Предположим, что

имеется также образцовая мера напряжения U0 =1В, погрешность

которой пренебрежимо мала. Очевидно, что, производя измерения ме-

тодом непосредственной оценки, экспериментатор использует вольт-

метр с пределом измерения 1 В и получает результат измерений с по-

грешностью 1%. При дифференциальном методе измерения экспери-

ментатор включает источники измеряемого постоянного напряжения

Ux и образцового напряжения U0 последовательно и встречно и изме-

ряет их разность U0 −Ux = 01,0 В вольтметром с пределом измерения

0,01 В. В этом случае разность U0 −Ux будет измерена с погрешно-

стью 1%, а, следовательно, значение напряжения будет определено с

погрешностью 0,01%. 23

Указанный метод широко используется, в частности, при поверке

средств измерений (например, измерительных трансформаторов тока и

напряжения). На нём основана работа очень распространённых в элек-

троизмерительной технике мостов постоянного и переменного токов.

Эффект повышения точности результатов измерений, достигае-

мый при дифференциальном методе, оказывается тем значительнее,

чем ближе значение меры к истинному значению измеряемой величи-

ны. В том случае, когда результирующий эффект воздействия величин

на прибор сравнения доводят до нуля, дифференциальный метод изме-

рений превращается в нулевой. Очевидно, что в нулевом методе изме-

рений используемая мера должна быть изменяемой (регулируемой), а

прибор сравнения выполняет функции индикатора равенства нулю

результирующего воздействия измеряемой величины и меры.

Нулевой метод позволяет получить высокие точности измерений

и широко используется, например, при измерениях электрического

сопротивления мостом с полным его уравновешиванием или постоян-

ного напряжения компенсатором постоянного тока.

Методом замещения называется метод сравнения с мерой, в ко-

тором измеряемую величину замещают известной величиной, воспро-

изводимой мерой. Это, например, взвешивание с поочередным поме-

щением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Метод

замещения можно рассматривать как разновидность дифференциаль-

ного или нулевого метода, отличающуюся тем, что сравнение изме-

ряемой величины с мерой производится разновременно.

Метод совпадений – это метод сравнения с мерой, в котором

разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой

мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодиче-

ских сигналов. Примерами этого метода являются измерения длины с

помощью штангенциркуля с нониусом, измерение частоты вращения

стробоскопом.

Описанные выше различия в методах сравнения измеряемой ве-

личины с мерой находят своё отражение и в принципах построения

измерительных приборов.

С этой точки зрения различают измерительные приборы прямого

действия и приборы сравнения. В измерительном приборе прямого

действия предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала

измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения

обратной связи. Так, например, на рис. 1.3 приведена структура элек-

тронного вольтметра переменного и постоянного тока, которая содер-

жит выпрямитель В, усилитель постоянного тока УПТ и измеритель-

ный механизм ИМ. В этом приборе преобразование сигнала измери-

тельной информации идёт только в одном направлении. 24

Характерной особенностью приборов прямого действия является

потребление энергии от объекта измерения. Однако это не исключает

возможности применения приборов прямого действия для измерения,

например, электрического сопротивления или ёмкости, но для этого

необходимо использовать вспомогательный источник энергии.

Измерительный прибор сравнения предназначен для непосредст-

венного сравнения измеряемой величины с величиной, значение кото-

рой известно.

На рисунке 1.4 приведена структурная схема автоматического

прибора сравнения, содержащая устройство сравнения УС, устройство

управления УУ и изменяемую (регулируемую) меру М с отсчётным

устройством.

Измеряемая величина x и однородная с ней величина x0 подаются

на входы устройства сравнения УС. Величина x0 получается от регули-

руемой меры М. В зависимости от результата сравнения х с х0 устрой-

ство управления УУ воздействует на меру М таким образом, чтобы

величина

x − x уменьшалась. Процесс уравновешивания заканчива-

ется, когда x = x

При этом значение измеряемой величины отсчиты-

вается по шкале регулируемой меры. Если в устройстве сравнения

происходит вычитание величин х и x0, то в данном приборе реализует-

ся сравнение измеряемой величины с мерой нулевым методом.

Очевидно, что любой измерительный прибор сравнения должен

иметь цепь обратной связи и замкнутую структуру. Обратная связь

может применяться и в приборах прямого действия, однако в них она

всегда охватывает не весь процесс преобразования, а только его часть.

Например, в структурной схеме на рис. 1.3 усилитель постоянного то-

ка может быть охвачен обратной связью. В измерительных приборах

сравнения в цепи обратной связи всегда формируется физическая ве-

личина, однородная с измеряемой, которая подаётся на вход прибора.

Следует отметить, что сравнение измеряемой величины с мерой в

приборах сравнения может осуществляться либо одновременно (нуле-

вой метод), либо разновременно (метод замещения).

Рис. 1.3. Структурная схема

прибора прямого действия

Рис. 1.4. Структурная схема

прибора сравнения25

Таким образом, приведённая классификация видов и методов из-

мерений позволяет не только систематизировать разнообразные изме-

рения всевозможных физических величин и тем самым облегчить под-

ход к решению конкретной измерительной задачи, но и с общих пози-

ций подойти к рассмотрению структур и принципов действия различ-

ных измерительных приборов.

В зависимости от вида объекта контроля может быть контроль

продукции, услуг, систем качества (производств) и персонала. Все

объекты контролируются на соответствие требованиям норм, установ-

ленным на сырьё, материалы, изделия, оборудование и инструмент.

Одной из важнейших характеристик объектов контроля является их

контролепригодность, т.е. свойство конструкции изделия, обеспечи-

вающее возможность, удобство и надёжность её контроля при изго-

товлении, испытании, техническом обслуживании и ремонте.

Кроме названных объектов, контролю подвергаются элементы

системы качества и стадии процесса производства. Контроль после

какой-либо операции на станке, прессе, сборке называется операцион-

ным. После изготовления детали, узла или изделия в качестве готовой

продукции применяют приёмочный контроль: проводится контроль

комплектности, упаковки и транспортирования и, наконец, контроль

хранения. Какие параметры подлежат контролю и каким инструмен-

том или прибором контролируется объект при операционном контро-

ле, регламентируется картой технологического процесса в графе «кон-

трольная операция». Приёмочный контроль проводят по нормативно-

технической документации (НТД), общим техническим условиям и

соответствующим техническим условиям.

Проверка соответствия характеристик, режимов и других показа-

телей названных стадий производства и составляет суть контролируе-

мых операций.

Контроль объектов или стадий процесса производства может

− летучим − срок проведения его не регламентирован;

− периодическим − проводится через определённый промежуток

времени (часы, сутки, месяцы);

− непрерывным – ведётся непрерывно (постоянно).

В зависимости от средств контроля различают контроль:

− визуальный − когда объект контроля подвергается осмотру и

определяется его соответствие требованиям НТД (все ли операции

выполнены, наличие маркировки, сопроводительной документации); 26

− органолептический – субъективный метод контроля, проводи-

мый специалистами-экспертами (оценка в баллах);

− инструментальный – контроль, осуществляемый при помощи

измерительного инструмента, калибров, приборов, стендов, испыта-

тельных машин и др.

Последний вид контроля может быть ручным, автоматизирован-

ным и автоматическим. При ручном контроле используется ручной

измерительный инструмент (штангенциркули, микрометры, калибры,

скобы, индикаторы и т.д.) для проверки деталей и изделий. Данный

контроль весьма субъективен: даже при сплошном контроле вручную

обнаруживается лишь 2 … 4% дефектных деталей. Автоматизирован-

ный контроль связан с использованием специальных средств, позво-

ляющих исключить субъективизм при измерении. Наиболее прогрес-

сивным является автоматический контроль, т.е. при изготовлении

деталей и узлов встраиваются автоматические средства контроля, с

помощью которых осуществляют непрерывный контроль.

В зависимости от объёма продукции различают контроль:

− сплошной, при котором решение о качестве контролируемой

продукции принимается по результатам проверки каждой единицы

продукции;

− выборочный, при котором решение о качестве принимается по

результатам проверки одной или нескольких выборок (в зависимости

от требований НТД) из партии или потока продукции.

По характеру воздействия на ход производственного процесса

различают активный и пассивный контроль. При активном контроле

(он осуществляется приборами, встроенными в технологическое обо-

рудование) полученные результаты используются для непрерывного

управления процессом изготовления изделий. Пассивный контроль

лишь фиксирует полученный результат и является основанием для

разбраковки продукции.

По характеру воздействия на объект контроль может быть разру-

шающим, при котором продукция становится непригодной для даль-

нейшего использования по назначению, и неразрушающим.

По типу проверяемых параметров выделяют контроль геометри-

ческих параметров (линейные, угловые размеры, форма и расположе-

ние поверхностей, осей, деталей, узлов и агрегатов и т.д.), физических

свойств (электрические, теплотехнические, оптические и др.), механи-

ческих свойств (прочность, твёрдость, пластичность при различных

внешних условиях), микро- и макроструктур (металлографические

исследования), химических свойств (химический анализ состава веще-

ства, химическая стойкость в различных средах), а также специальный

контроль (свето-, газонепроницаемость, герметичность). 27

Одним из параметров, наиболее часто подлежащих контролю и регулированию для корректного протекания технологического процесса, является температура. Температурой называют величину, характеризующую степень нагретости вещества. Это понятие связано со способностью тела с более высокой температурой передавать свое тепло телу с более низкой температурой. Переход тепла продолжается до тех пор, пока температуры тел не сравняются и не наступит термодинамическое равновесие системы. Одновременно с переходом тепла и изменением температуры тел меняются их физические свойства. Единица измерения температуры носит название «градус».

Классификация средств измерений температуры.

Приборы для измерения температуры разделяются в зависимости от физических свойств, положенных в основу их построения, на следующие группы:

Термометры расширения;

Манометрические термометры;

Электрические термометры сопротивления;

Термоэлектрические преобразователи (термопары);

Пирометры излучения.

Термометры. Решающий вклад в развитие конструкции термометров внёс немец Габриэль Даниэль Фаренгейт. В 1709 году он изобрёл спиртовой термометр, а в 1714 - ртутный. Он придал им ту же форму, что применяется и сейчас. Успех его термометров следует искать во введенном им новом методе очищения ртути; кроме того, перед запаиванием он кипятил жидкость в трубке.

Рене Антуан де Реомюр не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 г. он предложил применять в термометрах спирт, а в 1731 году изобрёл водно-спиртовой термометр. И поскольку Реомюр нашел, что применяемый им спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, то предложил шкалу от 0 до 80°.

Температурные шкалы.

Существует несколько градуированных температурных шкал, и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Сейчас самой распространенной в мире является шкала Цельсия. В 1742 шведский астроном Андерс Цельсий предложил 100-градусную шкалу термометра, в которой за 0 градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а за 100 градусов - температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы. Когда стали использовать термометры, оказалось удобнее поменять местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий - астрономию), который еще в 1838 году предложил за 0 температуры принять температуру плавления льда, но, похоже, не додумался до второй реперной точки. К настоящему времени шкала Цельсия несколько изменилась: за 0°C по-прежнему принята температура таяния льда при нормальном давлении, которая от давления не очень зависит. Зато температура кипения воды при атмосферном давлении теперь равна 99,975°C, что не отражается на точности измерения практически всех термометров, кроме специальных прецизионных.

Известны также температурные шкалы Фаренгейта, Кельвина, Реомюра и др. Температурная шкала Фаренгейта (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имеет три фиксированные точки: 0° соответствовал температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96° - температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула °F = (9/5)°C + 32, а для обратного перевода - формула °C =(5/9)(°F-32). Обе шкалы - как Фаренгейта, так и Цельсия, - весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю - точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая - абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°Rа) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7° R и 273,16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,16, а градусы Фаренгейта - в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459,7. в Европе долгое время была распространена шкала Реомюра, введённая в 1730 г Рене Антуаном де Реомюром. Она построена не произвольным образом, как шкала Фаренгейта, а в соответствии с тепловым расширением спирта (в отношении 1000:1080). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R), т. е. 1°R = 1.25°С, 1°C = 0.8°R., но в настоящее время вышла из употребления.

После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы.

Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1К) - одна из основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия.

Вторая рекомендованная температурная шкала - международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1К.

В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 Па.

Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.

Таблица 4.1.

Соотношение температурной шкалы Фаренгейта и Цельсия

Рассмотрим более подробно средства измерения температуры.

Термометры расширения.

Предназначены для изменения температур в диапазоне от -190 до +500 градусов Цельсия. Принцип действия термометров расширения основан на свойстве тел под действием температуры изменять объем, а следовательно, и линейные размеры. Термометры расширения разделяются на жидкостные стеклянные и механические (дилатометрические и биметаллические).

В качестве термометрической жидкости в жидкостных стеклянных термометров применяется ртуть, этиловый спирт, керосин, толуол, пентан.

Механические термометры.

Принцип действия дилатометрических термометров основан на преобразовании изменений температуры в разность удлинений двух твердых тел, обусловленную различием их температурных коэффициентов линейного расширения. Диапазон измерения температур составляет от -30 до +1000°С.

Принцип действия биметаллического термометра основан на использовании в его чувствительном элементе двух металлов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Металлические пластины прочно соединяются между собой, в основном путем сварки, и образуют биметаллическую пружину, которая при нагревании расширяется и замыкает контакт или вращает стрелку термометра.

Примерная схема биметаллического электрического контроллера, который применяется в холодильных камерах выглядит следующим образом:

На этом рисунке серый металл расширяется сильнее, чем синий. При повышении температуры это расширение заставляет пластину cгибаться вверх, соприкасаться с контактом, для того, чтобы потек ток по пластине и включился компрессор. Регулируя размер промежутка между пластиной и контактом, можно управлять температурой внутри камеры.

Биметаллические термометры могут быть различных типов. В самой распространенной конструкции длинная свёрнутая спиралью лента из биметалла закрепляется в центре. Другой (внешний) конец спирали перемещается вдоль шкалы, размеченной в градусах. Такой термометр, в отличие от жидкостного (например, ртутного) совершенно нечувствителен к изменениям внешнего давления и механически более прочен. Диапазон измерения температур составляет от -100 до +600°С.

Манометрические термометры предназначены для измерения температуры в диапазоне от -160 до +600 градусов Цельсия.

Принцип действия манометрических термометров основан на изменении давления жидкости, газа или пара, помещенных в замкнутом объеме, при нагревании или охлаждении этих веществ;

Шкала манометра градуируется непосредственно в единицах температуры. Манометрический термометр состоит из термобаллона, гибкого капилляра и собственно манометра. В зависимости от заполняющего вещества манометрические термометры делятся на газовые (термометр ТГП, термометр ТДГ и др.), парожидкостные (термометр ТКП, ТПП) и жидкостные (термометр ТПЖ, термометр ТДЖ и др.). Область измерения температур манометрическими термометрами колеблется в диапазоне от -60 до +600°С. Термобаллон манометрического термометра помещают в измеряемую среду. При нагреве термобаллона внутри замкнутого объема увеличивается давление, которое измеряется манометром. Шкала манометра градуируется в единицах температуры. Капилляр обычно представляет собой латунную трубку с внутренним диаметром в доли миллиметра. Это позволяет удалить манометр от места установки термобаллона на расстояние до 40 м. Капилляр по всей длине защищен оболочкой из стальной ленты. Манометрические термометры могут применяться во взрывоопасных помещениях. При необходимости передачи результатов измерений на расстояние более 40 м манометрические термометры снабжают промежуточными преобразователями с унифицированными выходными пневматическими или электрическими сигналами, речь идет о так называемых дистанционных термометрах.

Недостаток. Наиболее уязвимы в конструкции манометрических термометров являются места присоёдинения капилляра к термобаллону и манометру.

Электрические термометры сопротивления применяются для измерения температур в диапазоне от -200 до +650 градусов Цельсия. Термометр сопротивления ТС это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий известную зависимость электрического сопротивления от температуры. Самый популярный тип термометра - платиновый термометр сопротивления, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры. Принцип действия термометров сопротивления основан на свойстве проводников изменять электрическое сопротивление в зависимости от температуры.

Термоэлектрические преобразователи (термопары) используются при измерения температуры от 0 до +1800 градусов Цельсия. Термопара - старейший и до сих пор наиболее распространенный в промышленности температурный датчик. Действие термопары основано на эффекте, который впервые был открыт и описан Томасам Зеебеком в 1822 г. Наиболее правильное определение этого эффекта следующее: a difference of potential will occur if a homogeneous material having mobile charges has a different temperature at each measurement contact. (Если гомогенный материал, обладающий свободными зарядами, имеет разную температуру на измерительных контактах, то между контактами возникает разность потенциалов). Для нас более привычно обычно приводимое в литературе несколько другое определение эффекта Зеебека - возникновении тока в замкнутой цепи из двух разнородных проводников при наличии градиента температур между спаями. Второе определение, очевидно, следует из первого и дает объяснение принципу работы и устройству термопары. Однако, именно первое определение дает ключ к пониманию эффекта возникновения ТЭДС не в месте спая, а по всей длине термоэлектрода, что очень важно для понимания ограничений по точности, накладываемых самой природой термоэлектричества. Поскольку генерирование ТЭДС происходит по длине термоэлектрода, то показания термопары зависят от состояния термоэлектродов в зоне максимального температурного градиента. Поэтому поверку термопар следует проводить при той же глубине погружения в среду, что и на рабочем объекте. Учет термоэлектрической неоднородности особенно важен для рабочих термопар из неблагородных металлов.

Достоинства:

Широкий диапазон рабочих температур, это самый высокотемпературный из контактных датчиков.

Спай термопары может быть непосредственно заземлен или приведен в прямой контакт с измеряемым объектом.

Простота изготовления, надежность и прочность конструкции.

Недостатки:

Необходимость контроля температуры холодных спаев. В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

Возникновение термоэлектрической неоднородности в проводниках и, как следствие, изменение градуировочной характеристики из-за изменения состава сплава в результате коррозии и других химических процессов.

Материал электродов не является химически инертным и, при недостаточной герметичности корпуса термопары, может подвергаться влиянию агрессивных сред, атмосферы и т.д.

На большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

Когда жесткие требования выдвигаются к времени термической инерции термопары, и необходимо заземлять рабочий спай, следует обеспечить электрическую изоляцию преобразователя сигнала для устранения опасности возникновения утечек через землю.

Принцип действия термопар основан на свойстве разнородных металлов и сплавов образовывать в спае термо электродвижущую силу, зависящую от температуры спая.

Пирометры излучения применяются для измерения температуры в диапазоне от +100 до 2500 градусов Цельсия. Пирометры излучения работают по принципу измерения излучаемой нагретыми телами энергии, изменяющейся в зависимости от температуры этих тел. принцип работы которых основан на измерении суммарной энергии или состава излучения нагретого тела. В зависимости от способа измерения различают:

· радиационные,

· оптические,

· фотоэлектрические и

· цветовые пирометры.

Радиационные пирометры. Эти пирометры измеряют полную (световую и тепловую) энергию излучения тела с помощью телескопа и вторичного прибора. Телескоп радиационного пирометра служит бесконтактным датчиком температуры и состоит из оптической системы, в фокусе которой находятся рабочие спаи термобатареи, т. е. нескольких соединенных последовательно термопар. Термобатарея преобразует излучаемую поверхностью нагретого тела энергию в ТЭДС, которая измеряется вторичным прибором. При наличии во вторичном приборе регулирующего устройства радиационный пирометр позволяет автоматически регулировать температуру в объекте (печь, ванна).

Оптические пирометры. Эти пирометры, называемые также яркостными, используют для периодического контроля температуры в печах и ваннах. С их помощью измеряют температуру по монохроматической яркости (интенсивности излучения) тела в видимой области спектра путем сравнения ее с яркостью нити эталонной пирометрической лампочки. Изменением тока накала нити ее яркость доводится до яркости измеряемого тела, при этом нить исчезает на его фоне, так как тело и нить имеют одинаковую температуру.

Фотоэлектрические пирометры. Фотоэлектрические пирометры служат для измерения температуры нагретых твердых тел в пределах от 600 до 2000°С. Их особенно успешно используют для измерения температуры быстропротекающих процессов.

Принцип действия фотоэлектрического пирометра основан на свойстве фотоэлементов вырабатывать фотоэлектрический ток, пропорциональный интенсивности светового потока, который подается на фотоэлемент от излучателя. Так как интенсивность светового потока, в свою очередь, пропорциональна измеряемой температуре излучателя, то при помощи фотоэлементов можно измерять температуру нагретых тел.

Первичным датчиком в пирометре является визирная головка, в ней расположен фотоэлемент 9.

Головка размещена так, что световой поток от излучателя 3, температура которого подвергается измерению, через линзу объектива 4 направляется на фотоэлемент. На пути светового потока, перед фотоэлементом, устанавливается кассета 7 и красный светофильтр 8, пропускающий лучи только определенной длины волны. Кассета имеет два отверстия: через одно пропускается от излучателя световой поток, а через другое - от лампы накаливания 2.

Впереди кассеты расположен электромагнитный вибратор 6, который при помощи заслонки попеременно, с частотой питающего его тока 50 гц, открывает отверстия кассеты, вследствие чего на фотоэлемент попадают попеременно световые потоки то от источника, то от лампы накаливания.

Световой поток от лампы накаливания является эталонным, зависящим по величине только от тока, протекающего по ее нити. Световой поток от излучателя сравнивается со световым потоком от лампы накаливания. В результате этого к электронному усилителю 11 поступает переменное напряжение, величина которого зависит от разности световых потоков лампы накаливания и излучателя.

Это напряжение усиливается сначала в усилителе, расположенном в визирной головке, а затем в силовом блоке 14.

Выходной каскад блока нагружен лампой накаливания, через которую течет постоянный ток, увеличивающийся, если световой поток лампы накаливания меньше светового потока излучателя, и наоборот.

Таким образом, система непрерывно подтягивает значение тока, текущего через лампу, до величины, обеспечивающей равенство световых излучателя и потоков лампы накаливания.

Измеряя ток лампы накаливания, можно определять температуру излучателя. Измерение тока осуществляется быстродействующим электронным потенциометром 12, включенным на шунт в цепи лампы, правильная наводка головки на излучатель - при помощи окуляра 10 и отражателя 5. Прибор имеет разделительный трансформатор 13, стабилизатор напряжения 15, зажимы 16 для подвода питания от сети.

Описанный здесь пирометр допускает установку его на расстоянии 1 м и более от излучателя. Наименьший допустимый диаметр излучателя должен быть всегда несколько больше 1/20 этого расстояния. Пирометры этого типа, но со специальными объективами могут быть использованы для измерения температуры и меньших по размеру объектов, чем пирометры со стандартным показателем визирования.

Цветовые пирометры. Эти пирометры измеряют температуру по отношению интенсивностей монохроматического излучения тела для двух диапазонов длин волн красного и сине-зеленого участков видимой части спектра. Такое отношение характеризует так называемую цветовую температуру, которая совпадает с истинной для абсолютно черного и серых тел. В отечественных цветовых пирометрах использован метод красно-синего отношения. Для измерения обоих монохроматических яркостей используют один приемник излучения (фотоэлемент или фотосопротивление) с общим каналом усиления измеряемых сигналов.

Преимущество метода цветовой пирометрии перед другими бесконтактными оптическими способами измерения температуры состоит в том, что в качестве объекта измерения не обязательно иметь АЧТ. Кроме того, исключается влияние излучений, изменения рельефов поверхности, расстояния от пирометра, неселективных поглотителей лучистой энергии, расположенных между объектом измерения и пирометром (сеток, стекол, диафрагм, призм и т.п.).

Типичными образцами цветовых пирометров являются приборы ЦЭП - 3М и ЦЭП - 4.

Комплект прибора состоит из трех блоков: датчика, блока электроники, включающего усилительную и решающую схемы, показывающего или регистрирующего прибора.

Принцип действия прибора основан на автоматическом измерении логарифма отношения спектральных яркостей в красном и синем участке спектра. Вычислительное устройство автоматически осуществляет логарифмирование отношения яркостей. Логарифм спектрального отношения яркостей пропорционален обратным значениям цветовой температуры.

Измеряемое излучение попадает на фотоэлемент через оптическую систему прибора и через обтюратор, вращаемый синхронным двигателем. Обтюратор выполнен в виде диска с отверстиями, за­крытыми красными и синими светофильтрами таким образом, что при вращении диска на фотоэлемент попеременно попадает то красная, то синяя энергетическая яркость. Импульсы фототока, пропорциональные красной и синей спектральным энергетическим яркостям, усиливаются и подаются на вход измерительной системы. Фотоэлемент термостатирован. Все эти устройства смонтированы в головке прибора. Усиленный ток подается в измерительный блок, в котором после соответствующих преобразований сигнал поступает в электронную логарифмирующую систему, позволяющую получать линейную шкалу.

В головке датчика находятся также устройства для ручной и автоматической регулировки уровня энергетической яркости, индикаторы и органы управления. Для удаления пыли и дыма из поля зрения при измерении температуры открытых объектов в бленду, надеваемую на тубус объектива, подается сжатый воздух. Диапазон измерений температуры составляет 1400--2800°С. Прибор имеет от 3 до 5 поддиапазонов с интервалом 200--400°С. Показания прибора переводятся в градусы Цельсия с помощью градуировочного графика для данного поддиапазона. Градуировку прибора проводят по образцовым температурным лампам. Предельная ошибка измерения цветовой температуры 2000°С равна ±30°С.

В методе бихроматической цветовой пирометрии сигнал для регулирования определяется разностью двух спектральных энергетических яркостей.

Данный метод регулирования цветовой температуры исключает необходимость применения какой-либо схемы или логометра, измеряющего отношение яркостей. На этом принципе работает пирометр РЭД-1, имеющий один фотоэлемент и разделяющий сигналы, пропорциональные соответствующим спектральным энергетическим яркостям во времени, с помощью вращающегося диска со светофильтрами.

Средства измерения температуры

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в рамках непрерывно развивающегося постиндустриального общества, требующего внедрения новейших технологий , особенно востребованы специалисты в области стандартизации , сертификации и управления качеством. Это обусловлено тем, что специалисты данного профиля владеют знаниями о методах и средствах определения характеристик продукции, хорошо знакомы с методами инструментального контроля как основного средства эффективного подтверждения соответствия объекта предъявляемым требованиям.

В настоящее время существует потребность измерения тепловых величин во всех производственных направлениях. Кроме того, основные параметры контроля производственных показателей качества часто зависят от температуры и могут быть выражены как функции от температурных полей, и, следовательно, измерение температуры в данных случаях является необходимым условием контроля.

Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Практически все технологические процессы и различные свойства вещества зависят от температуры.

В отличие от таких физических величин, как масса, длина и т. п., температура является не экстенсивной (параметрической), а интенсивной (активной) величиной. Если гомогенное тело разделить пополам, то его масса также делится пополам. Температура, являясь интенсивной величиной, таким свойством аддитивности не обладает, т. е. для системы, находящейся в термическом равновесии, любая часть системы имеет одинаковую температуру. Поэтому не представляется возможным создание эталона температуры, подобно тому, как создаются эталоны экстенсивных величин.

1. ТЕМПЕРАТУРА И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ

Понятие температуры возникло из ощущений человека, в какой мере нагреты или, наоборот, охлаждены окружающие тела. И только в результате требований науки и техники о количественном определении температуры было сформулировано более чёткое понятие температуры. По определению Максвелла, температура тела есть его термическое состояние, рассматриваемое с точки зрения его способности сообщать тепло другим телам. С другой стороны, температуру можно определить как степень нагретости тела. Первые приборы для измерения температуры, появившиеся в XVI в., позволили выделить температуру как особую физическую величину, значение которой определялось по температурной зависимости какого-либо свойства тела, т. е. по шкале этого свойства. Так возникла область измерений температуры, которую впоследствии назвали термометрией.

Термометрия – раздел технической физики, в котором изучаются методы и средства измерения температуры, теоретические основы способов построения термодинамической и практических температурных шкал и созданные на этой основе эталоны и образцовые средства измерений температуры.

Температура – физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества. Если привести в контакт два тела при различных температурах, то более нагретое тело (с более высокой температурой) будет охлаждаться, а менее нагретое – нагреваться. Процесс теплопередачи и изменения температур тел будет продолжаться до тех пор, пока их температуры не станут равными, т. е. пока не наступит тепловое или термодинамическое равновесие.

Температурные зависимости физических свойств веществ можно положить в основу методов измерения температуры и построения температурной шкалы.

Температурная шкала – это ряд последовательных значений температуры, образуемый в соответствии с выбранным законом, определяющим взаимосвязь термометрического параметра (свойства) и температуры.

Для построения температурной шкалы выбирают две основные точки t 1 и t 2, которым присваивают произвольные значения температуры. Интервал между этими точками (t 2 – t 1) называют основным интервалом температурной шкалы. Разделив основной интервал на N равных частей, устанавливают цену деления шкалы, другими словами, размер единицы температуры.

Принимая линейную зависимость между температурой t и физическим (термометрическим) свойством Е , можно найти уравнение шкалы:

DIV_ADBLOCK25">

Шкала Ренкина – температурная шкала с началом при абсолютном нуле, причём размер единицы температуры – градуса Ренкина (°Rn) равен размеру единицы температуры Фаренгейта (°F): l° Rn = l° F.

Соотношение между температурами Т Rn и t F следующее: t F = T Rn – 459,67.

Шкала Реомюра (1736 г.) основана на ртутном термометре с двумя опорными точками: точкой плавления льда (0 °R) и точкой кипения воды (80 °R). Интервал между этими точками составляет 80 равных температурных частей, а размер единицы температуры – градуса Реомюра равен 1/80 части указанного интервала.

Шкала Цельсия (1742 г.) основана на ртутном термометре с двумя опорными точками: точкой плавления льда (0 °С) и точкой кипения воды (100 °С), интервал между которыми составляет 100 равных температурных частей, а размер единицы температуры – градуса Цельсия равен 1/100 части указанного интервала.

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

В соответствии с Международной практической температурной шкалой 1968 г. основной температурой является термодинамическая температура, единица которой – Кельвин (К). На практике часто применяется температура Цельсия. Между температурой Цельсия и термодинамической температурой существует следующее соотношение: t, C = T, K – 273,15.

По способу измерения температуры методы можно разделить на контактные и бесконтактные.

Контактные методы измерения более просты и точны, чем бесконтактные. Но для измерения температуры необходим непосредственный контакт с измеряемой средой и телом. И в результате этого может возникать, с одной стороны, искажение температуры среды в месте измерения и с другой – несоответствие температуры чувствительного элемента и измеряемой среды.

Для реализации контактных методов измерения применяются термометры расширения (стеклянные, жидкостные, манометрические, биметаллические и дилатометрические), термопреобразователи сопротивления (проводниковые и полупроводниковые) и термоэлектрические преобразователи.

Серийно выпускаемые термометры и термопреобразователи охватывают диапазон температур от – 260 до 2200 ºС и кратковременно 2500ºС.

Бесконтактные методы измерения не оказывают никакого влияния на температуру среды и тело. Но зато они сложнее и их методические погрешности существенно больше, чем контактных методов.

Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения), тепловизорами.

Бесконтактные средства измерения температуры серийно выпускаются на диапазон температур от 01.01.01ºС.

3. КОНТАКТНЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Термометры, применяются для измерения температуры контактным методом.

Термометры для измерения температуры контактным методом: термометры расширения, использующие принцип теплового расширения жидкости (жидкостные) или твердого тела (дилатометрические и биметаллические); манометрические термометры, использующие зависимость между температурой и давлением газа или паров жидкости в замкнутой термосистеме; термопреобразователи (термометры) сопротивления, использующие изменения электрического сопротивления металлов от температуры; термоэлектрические термометры (термопары), использующие зависимость между термо-ЭДС, развиваемой термопарой (горячим спаем) из двух различных проводников, и разностью температур спая и свободных концов термопары.

Термометры технические жидкостные состоят из резервуара с термометрической жидкостью и соединенной с ним капиллярной трубкой. За капилляром располагается шкала в °C. Корпус прибора - стеклянный. При изменении температуры объем жидкости внутри прибора изменяется, вследствие чего столбик жидкости в капилляре поднимается или опускается пропорционально изменению температуры.

В качестве термометрической жидкости в термометрах расширения применяется:

Ртуть при изменении температуры от -30°C до +600°C;

Спирт при изменении температуры от -80°C до +80°C;

Толуол при изменении температуры от -80°C до +100°C;

Керосин при изменении температуры от 0°C до +300°C или другие органические жидкости.

Рис. 1. Установка технического жидкостного термометра: 1 – защитная гильза; 2 – заполнитель; 3 - термометр

Для удобства установки термометры изготавливаются прямые и угловые (под углом 90°, 120° и 135°). Для установки стеклянных термометров и предохранения их от повреждения применяются металлические оправы. В металлической оправе инертность термометра увеличивается. Для уменьшения времени запаздывания зазор между защитной оправой и хвостовиком заполняется техническим маслом (при температуре измерения до 150°С), медными опилками (при температуре свыше 150°С до 650°С). Принцип работы дилатометрических термометров основан на преобразовании измеряемой температуры в разность абсолютных значений удлинений двух стержней, изготовленных из материалов с различными термическими коэффициентами линейного расширения. Они применяются в устройствах сигнализации и регулирования температуры. Работа биметаллических термометров основана на деформации биметаллической ленты при изменении температуры. Биметаллическая лента согнута в виде плоской или винтовой спирали, один конец которой укреплен неподвижно, а другой - на оси стрелки. Угол поворота стрелки равен углу закручивания спирали, который пропорционален изменению температуры. Класс точности приборов 1 %, 1,5 %.

Манометрические термометры

Принцип действия манометрических термометров основан на зависимости давления рабочего вещества в замкнутом объеме от температуры. В соответствии с агрегатным состоянием рабочего вещества в термосистеме манометрические термометры подразделяются на газовые, жидкостные и конденсационные (парожидкостные).

Могут использоваться для измерения температур в диапазоне от -150 до +6000С. Диапазон измерения определяется свойствами рабочего вещества. Термометры с специальным наполнением могут применяться в диапазоне 100…10000С.

Рис. 2 Схема манометрического термометра

Термосистема манометрического термометра (рис. 2) состоит из термобаллона 1, капилляра 2, плоской трубчатой пружины 3. Термосистема заполнена рабочим веществом в указанной замкнутой системе. Термобаллон помещается в среду, температуру которой необходимо измерить. При нагревании рабочее вещество расширяется и, поскольку система замкнутая, внутри ее давление увеличивается. Вследствие этого плоская пружина стремиться принять круглый профиль и она распрямляется, а свободный конец перемещается. Перемещение через тягу 5 передается на зубчатый сектор 6, который находится в зацеплении с зубчатым колесом 7. На ось колеса насажена стрелка указателя 8, которая вместе со шкалой 9 образуют отсчетное устройство прибора.

Для создания противодействующего момента предусмотрена 10, один конец которой закреплен на зубчатом колесе, а другой – на станине прибора. Влияние температуры окружающей среды на показания прибора компенсируется биметаллическим или инварным компенсатором 4.

Термобаллон – цилиндр, изготовленный из латуни или специальных сталей, стойких к воздействиям агрессивных сред. Диаметр термобаллона 5…30 мм, длина – 60…500 мм.

Капилляр – медная или стальная трубка с внутренним диаметром 0,1…0,5 мм. Длина капилляра в зависимости от эксплуатационных требований колеблется от нескольких сантиметров до 60 м. Медные капилляры имеют стальную пружинную защитную оболочку, предохраняющую их от механических повреждений в процессе монтажа и эксплуатации.

Пирометры и тепловизоры имеют перед контактными датчиками температуры, как ряд преимуществ, так и некоторые недостатки - зависимость показаний от расстояния до измеряемого объекта, от отражательных свойств измеряемой поверхности, от излучения прямо не попадающих в поле зрения пирометра областей измеряемого объекта. Для того чтобы выбрать способ измерения, нужно оценить все за и против.

На сегодня существует большой выбор портативных переносных и стационарных пирометров для различных применений, а также доступные по цене тепловизоры.

Переносные пирометры измеряют температуру в диапазоне от -30°С до 3000°С с погрешностью до 0,75% от измеряемой величины, могут запоминать до 100 значений температуры, передавать данные измерений по цифровому выходу на персональный компьютер.

Стационарные пирометры измеряют температуру от -40°С до 3000°С с погрешностью до 0,3% от измеряемой величины, имеют оптическое разрешение до 300:1, время отклика до 1 мс и выходные сигналы - термопары типа J/K/E/N/T/R/S, 0-5 В, 4-20 мА, интерфейсы RS-485 или RS-232, механическое реле.

Тепловизор имеет следующие технические характеристики:

Неохлаждаемая микроболометрическая матрица 160 x 120 ячеек;

Диапазон измеряемых температур от 0 оС до 250 оС;

Спектральный диапазон 7-14 мкм;

ЖКИ дисплей с тремя градациями яркости изображения для разных условий работы;

Оптическое разрешение 90:1, минимальное расстояние до объекта измерения 60 см;

Лазерный прицел - указатель центра зоны съемки;

Память до 100 снимков и данных;

Время непрерывной работы без перезарядки - 5 часов;

Связь с персональным компьютером по USB-порту.

Все эти приборы специально разработаны и откалиброваны для решения проблем измерения температуры в промышленности. В настоящее время бесконтактный метод измерения температуры широко востребован в энергетике. Он применяется для диагностики электрооборудования под напряжением, для технического обслуживания энергооборудования. С помощью пирометров и тепловизоров можно быстро и безопасно контролировать температуру электрических двигателей, корпусов трансформаторов, кожухов шинопроводов, оборудования электрических подстанций, обнаруживать осушенные участки высоковольтных кабельных линий, котролировать температуру электроизоляторов. В жилищно-коммунальном хозяйстве с помощью пирометров и тепловизоров производят контроль температуры труб подачи и забора воздуха, измеряют температуру теплотрасс, определяют места утечек тепла, проводят инспекцию кровли . Бесконтактный метод измерения температуры позволяет сократить время проведения измерений и обезопасить персонал, продлить срок службы средства измерения и расширить диапазон измеряемых температур. Дешевизна бесконтактного метода контроля температуры, его оперативность и доступность позволяют использовать пирометры и тепловизоры практически на любом предприятии.

Благодаря своей простоте в работе, широкому диапазону измеряемых температур, малому времени отклика, отсутствию необходимости контактировать с объектом, своим функциональным возможностям бесконтактные средства измерения температуры находят широкое применение не только там, где это единственно возможное средство измерения, но и постепенно начинают вытеснять контактные датчики температуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Температура является одним из основных параметров, подлежащих контролю со стороны систем автоматического управления процессами.

Как известно, операции измерений, испытаний и контроля являются ключевыми в оценке соответствия процесса заданным требованиям и управлении качеством в дальнейшем. Особенности применения той или иной измерительной операции определяются спецификой выполняемых работ .

В данной работе рассмотрены основные виды измерений и контроля, применяемые при осуществлении теплового процесса. Внимание уделено средствам и методам измерения, которые, наиболее часто применяются на практике:

Средства и методы измерения температуры.

Приведены различные типы термометров, изучены принцип действия и особенности применения термоэлектрических преобразователей, а также преобразователей сопротивления.

Кроме этого, внимание уделено бесконтактным средствам измерения температуры.

Рассмотрены принцип действия, а также основные области применения пирометров и тепловизоров.

Знание конструкции, принципа действия, особенностей их включения может помочь обоснованно решать измерительные задачи в инструментальном контроле качества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Клюев, контроль и диагностика: справочник / под ред. . – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2005. – 656 с.

2. Контрольно-измерительные приборы и инструменты: учебное пособие / , . – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 464 с.

3. Пономарев, и практические аспекты теплофизических измерений: монография. В 2-х кн. / , . – Тамбов: Тамб. гос. техн. ун-т, 2006. – Кн. 1. – 208 с.

4. Профос, П. Измерения в промышленности: справочник. В 3 кн. Кн. 2. Способы измерения и аппаратура / П. Профос; пер. с нем. – М.: Металлургия, 1990. – 384 с.

5. Раннев, и средства измерений: учебник для вузов / , . – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 336 с.

6. Харт, Х. Введение в измерительную технику / Х. Харт; пер. с нем. – М.: Мир, 1999. – 391 с.