Реферат - Измерение температуры поверхности
Подождите немного. Документ загружается.
11
Формальный анализ методических погрешностей измерения нестационарных
температур может быть сделан на основе решения двух задач: теплообмена
исследуемого тела с окружающей средой; теплообмена системы
Рис. 1.6. Пластинчатые ИПТ для измерения температуры поверхности:
а — проволочный термометр сопротивления, наклеиваемый па подложку; б — то же,
намотанный на пластинку и закрытый с двух
-
сторон; в — полупроводниковый
термометр сопротивления (болометр) напыленный на подложку или непосредственно на
исследуемое тело; г — термопара, электроды которой наклеиваются на пластинку или
наносятся путем электролитического осаждения; 1— чувствительный элемент; 2 —
подложка или основа; 3 — защитные пластинки или пленки
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
12
2. Бесконтактные средства измерения температуры поверхности
Если до 70-х годов прошлого столетия основными приборами для
пирометрических измерений являлись пирометры с исчезающей нитью накала, то в
последние годы, благодаря бурному развитию электронных и цифровых технологий, в
практике появилось большое разнообразие различных приборов для бесконтактного
измерения температуры по тепловой радиации (пирометров).
Любое тело с температурой Т выше абсолютного нуля T
0
= 273°C испускает
из-за движения атомов и молекул электромагнитное излучение.Рис.2.1
Рис.2.1
Диапазон длины волн является значимым для бесконтактного измерения
температуры, составляет приблизительно 0,5 - 20 μm. В этом диапазоне
излучение по своей природе обозначается как тепловое излучение или
инфракрасное излучение.Рис.2.2.
Рис.2.2. Диапазон длин волн
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
13
Пирометр - это средство измерения температуры по тепловому излучению
объекта, предназначенное для отображения значения температуры на индикаторе
прибора или преобразования в аналоговый или цифровой сигнал. Пирометры
способны измерять температуру круговой зоны, ограниченной полем зрения прибора
и усредняют температуру в пределах данной зоны. Зона видимости пирометра зависит
от расстояния до объекта и от оптического разрешения пирометра, таким образом,
варьируя эти два параметра, с помощью пирометра можно измерять как температуру
тонкой проволоки, так и среднюю температуру поверхности кузова автомобиля перед
покраской.
В этой связи крайне актуальными являются вопросы оценки преимуществ и
недостатков, как самого пирометрического метода, так и сравнительной оценки
различных типов пирометров.
1. Перед контактными методами измерения температуры пирометрические
обладают следующими преимуществами:
• высоким быстродействием, определяемым типом приемника излучения и схемой
обработки электрических сигналов. При использовании квантовых приемников
излучения (фотодиодов) и быстродействующих аналогово-цифровых
преобразователей (АЦП) постоянная времени может составлять 10~
2
- 10~б с;
• возможностью измерения температуры движущихся объектов и элементов
оборудования, находящихся под высоковольтным потенциалом;
• отсутствием искажения температурного поля объекта контроля, что особенно
актуально при измерении температуры материалов с низкой теплопроводностью
(дерево, пластик и др.), а также риска повреждения поверхности и формы в случае
мягких (пластичных) объектов:
• возможностью измерения высоких температур, при которых применение
контактных средств измерения либо невозможно, либо время их работы очень
невелико;
• возможностью работы в условиях повышенной радиации и температуры
окружающей среды (до 250°С) при разнесении приемной головки и электроники
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
14
пирометра с помощью оптоволоконного кабеля.
2. Основными недостатками пирометрических измерений температуры
являются
• трудности полного учета связей между термодинамической температурой объекта
и регистрируемой пирометром тепловой радиацией.
• необходимо учитывать изменение излучательной способности поверхности к от
длины волны X в регистрируемом спектральном диапазоне и от температуры Т в
диапазоне измерений,
• наличие поглощения излучения в среде между пирометром и объектом контроля
• геометрические параметры поля зрения пирометра и его оптической системы,
температуру окружающей среды и корпуса прибора.
Рассмотрим основные факторы, влияющие на точность результатов измерений
пирометром более подробно:
Как известно, пирометр вычисляет температуру объекта, измеряя поток
теплового излучения с некоторой части его поверхности в рабочей области спектра
(либо используя отношение потоков в двух и более областях спектра - в пирометрах
спектрального отношения).
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.
Принцип действия пирометра - прибора, предназначенного для бесконтактного
измерения температуры различных объектов на расстоянии, состоит в следующем:
инфракрасное излучение энергии поверхности объекта измерения фокусируется на
датчик прибора и преобразуется в электрический сигнал, после чего эта информация
отображается в цифровом виде на индикаторной панели. Излучательная способность
большинства объектов обеспечивает погрешность измерения, как правило, не
превышающую 1 % от измеряемой величины. В современных пирометрах
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
15
предусмотрена автоматическая компенсация температуры окружающей среды.
В основе работы пирометра лежит принцип преобразования потока
инфракрасного излучения от объекта, принимаемого чувствительным элементом, в
электрический сигнал, пропорциональный спектральной плотности мощности потока
излучения. Рис.2 .3.
Рис.2 ..3. Структурная схема пирометра
Составные части: О - оптическая система; М - модулятор;ПИ - приемник излучения; УО - узел обработки
сигнала;УИ - узлы индикации; ИП - источник питания.
Поток инфракрасного излучения, испускаемый объектом, попадает в
оптическую систему ОС, где диафрагмируется и фокусируется на приемник
излучения ПИ, находящийся в фокусе оптической системы. Модулятор М преобразует
поток излучения, попадающий на приемник излучения ПИ, из постоянного в
переменный. Приемник излучения ПИ преобразует мощность падающего на него
потока ИК излучения в электрическое напряжение пропорциональное спектральной
плотности мощности потока излучения.
Узел обработки УО преобразует сигнал с приемника излучения ПИ, в
соответствии с номинальной статической характеристикой преобразования, в вид,
удобный для индикации. Узел индикации УИ отображает поступающий на них
сигнал (с УО) на знакосинтезирующем жидкокристаллическом (ЖКИ) и светодиодном
индикаторах в виде цифрового значения температуры.Источник питания ИП
обеспечивает все узлы прибора напряжениями, необходимыми для их
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
16
работы.Конструктивно пирометр выполнен в оригинальном пластмассовом корпусе,
в котором располагаются все узлы прибора. Для измерения температуры
необходимо:
- ввести значение поправочного коэффициента излучательной способности
измеряемого объекта Е (С-500.1, С-500.2, С-500.3, С-500.4, - 0,01... 1,0; С-500.5, С-
500.6, С-500.7, С-500.8 - 0,01 ... 2,50);
- направить прибор на объект и нажать кнопку «Измерение»;
- считать с ЖКИ значение, соответствующее температуре измеряемого объекта.
Поправочный коэффициент излучательной способности объекта Е задается в
пределах от 0.01 до 2,5 и зависит от размера и материала объекта, характера
поверхности, наличия внешней засветки.Коэффициент Е определяется для
каждого объекта отдельно по следующей методике:
1) определить с помощью контактного датчика температуру поверхности
объекта, при этом температура поверхности должна превышать температуру
окружающей среды минимум на 50 °С;
2) выбрать, зафиксировать и соблюдать при проведении дальнейших
измерений положение пирометра (расстояние до объекта измерений, угол
установки пирометра, характер поверхности объекта, например, наличие шлака на
поверхности расплавов), экранировать внешнюю засветку;
3) изменением коэффициента Е добиться совпадения показаний пирометра и
температуры, измеренной с помощью контактного датчика: при проведении
дальнейших измерений соблюдать выбранные условия проведения измерений и
полученное значение поправочного коэффициента Е.
Тепловыми приемниками излучения называют детекторы, в которых под
действием облучения светом происходит нагрев, вызывающий возникновение в них
вторичных процессов (изменение сопротивления, возникновение термических
напряжений). Тепловые приемники излучения применяются чаще всего для ИК-
области, так как для видимого и УФ-диапазонов спектра имеются более
чувствительные датчики. Существенным достоинством тепловых приемников
излучения является независимость их чувствительности от спектрального состава
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
17
излучения, т. е. их чувствительность остается почти постоянной от УФ- до ИК-
диапазона. В табл. 2.1 приведены некоторые типы таких детекторов.
Таблица 2.1
Тип датчика Физический эффект Выходной параметр
Болометр Изменение сопротивления
металла или полупроводника
Сопротивление
Термобатарея Миниатюризованное исполнение
термопары. Рабочий спай
подвергается действию
v
излучения, в то время как опорный
спай экранирован
Напряжение
Пироэлектрический детектор Изменение поляризации некоторых
материалов. Реагирует только на
изменение излучения
Переменное напряжение
Болометр (От греч. bole - луч и греч. metron - мера.) - прибор для измерения
энергии излучения. Был изобретён Самуэлем Пирпонтом Лэнгли в 1878 году.
Основной компонент болометра - очень тонкая пластинка (например, из платины или
другого проводящего материала), зачернённая для лучшего поглощения излучения.
Из-за своей малой толще пластинка под действием излучения быстро нагревается и
её сопротивление повышается. Для измерения малых отклонений сопротивления
пластинки её включают в мостовую схему, которую балансируют в отсутствие
засветки.
В отличие от термоэлемента, являющегося, как мы уже знаем из предыдущего,
генераторным датчиком, болометрический датчик принадлежит к группе
параметрических датчиков, поскольку при нагревании его оптическим излучением
изменяемой выходной величиной служит электрическое сопротивление.
Металлические болометры из платины или никеля все чаще заменяются термистора-
ми, основу которых составляют оксиды никеля, магния, кобальта, имеющие более
низкую теплоемкость и более высокий температурный коэффициент сопротивления,
что обеспечивает датчику большую чувствительность. Например, при комнатной
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
18
температуре у металлов этот коэффициент равен -0,005/ °С, а у термисторов -0,06/
°С, те. на порядок выше. Как видно, термисторы являются полупроводниками, и их
температурный коэффициент сопротивления отрицателен. Все чаще болометры
изготавливаются из Ge, Su, AsSe3.
Криогенные температуры способствуют улучшению ряда характеристик и
параметров болометров: увеличивается температурный коэффициент
сопротивления, уменьшается теплоемкость, подавляются источники зависящих от
температуры шумов. Более того, сверхнизкие температуры существенно
увеличивают сопротивление полупроводниковых болометров, что облегчает условия
их согласования с электронными схемами.
Возможность работы болометрических датчиков при криогенных температурах
позволила создать сверхпроводящие болометры.
Они работают при температурах перехода полупроводников, когда при
изменении температуры их сопротивление меняется скачкообразно и благодаря
этому существенно увеличивается чувствительность и снижается ее порог.
Однако серьезным недостатком сверхпроводящих болометров является
необходимость строгого контроля и стабилизации их рабочей температуры во
избежание нежелательных отклонений сопротивления от номинала.
В последние годы разработаны высокотемпературные сверхпроводящие
материалы для болометров, в частности бариево-медный оксид иттрия.
Измерительная схема обычно представляет собой одинарный (четырехплечий)
мост (мост Уинстона). Здесь также падающий лучистый поток преобразуется
поглотителем в тепло, воздействующее на включенный в плечо моста резистор. В
современных болометрических датчиках в противоположные плечи моста
включаются по одному идентичному поглощающему резистору, но один из них
экранируется от измеряемого лучистого потока, чем достигается независимость в
определенных пределах выходной величины болометра от изменений
температуры.
Болометр чувствителен ко всему спектру излучения. Но применяющего в
основном в астрономии для регистрации излучения с субмиллиметровой длиной
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
19
волны (промежуточное между СВЧ и инфракрасным): для этого диапазона болометр -
самый чувствительный датчик. Источником теплового излучения может быть свет
звезд или Солнца, прошедший через спектрометр разложенный на тысячи
спектральных линий энергия в каждой из которых очень мала. На рис.2.4 приведены
характеристики спектральной чувствительности различных датчиков ИК-излучения.
.
Рис.2.4 Характеристики спектральной чувствительности различных датчиков ИК-
излучеиия
В качестве приемников излучения очень часто используются
прироэлектрические детекторы. Пироэлектрический эффект возникает в результате
смещения зарядов в некоторых кристаллах при их нагреве (рис. 2.5)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
20
\
Рис.2.5. Пироэлектрический эффект
На рис.2.6 показаны возбуждение и ответный сигнал пироэлектрического
детектора
Рис.2.6 Возбуждение и ответный сигнал пироэлектрического детектора
Эквивалентную схему пироэлектрического детектора можно представить в виде
параллельного (при измерении тока) или последовательного (при измерении
напряжения) соединения конденсатора и генератора (источника тока или
напряжения), как показано на рис. 2.7.
Рис. 2.7.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com