Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Для правильного измерения температуры необходимо учитывать еще

ряд факторов. Прежде всего, это излучательная способность материала. Она

связана с коэффициентом отражения простой формулой: E = 1 – R, где Е –

излучательная способность, R – коэффициент отражения. У абсолютно

черного тела излучательная способность равна 1. У большинства

органических материалов, таких как дерево, пластик, бумага, излучательная

способность находится в диапазоне 0,8 – 0,95. Металлы,

особенно

полированные напротив имеют низкую излучательную способность, которая

в этом случае будет 0,1 – 0,2.

Для правильного измерения температуры необходимо определить и

установить излучательную способность измеряемого объекта. Если значения

будут выбраны неправильно, то температура будет измеряться неверно.

Обычно показания занижаются. Так, если металл имеет излучательную

способность 0,2, а на датчике установлен коэффициент 0,95 (он обычно

используется по умолчанию), то при наведении на нагретый до 100 °С

металлический объект датчик будет показывать температуру около 25 °С.

Корректировать излучательную способность можно, определив ее для

различных материалов по справочнику, либо измеряя температуру

поверхности альтернативным способом, например термопарой, вносить

необходимые поправки. Хорошие результаты при не очень высоких

температурах дает окраска специальной

термостойкой, черной краской

измеряемой поверхности.

Второй важной характеристикой инфракрасного датчика является

оптическое отношение – это отношение расстояния до объекта измерений

к размеру области, с которой эти измерения ведутся. Например, оптическое

отношение 10:1 означает, что на расстоянии 10 метров размер площади, с

которой ведется измерение температуры, составляет 1 метр. Современные

инфракрасные датчики температуры имеют оптическое

отношение

достигающие 300:1.

Основные достоинства инфракрасных датчиков температуры:

• малое время отклика (это самые быстродействующие датчики

температуры)

• возможность измерения температуры движущихся объектов,

• возможность измерения температуры в труднодоступных и опасных

местах,

• возможность измерения высоких температур, там, где другие датчики

уже не работают,

• отсутствует непосредственный контакт с объектом и

соответственно не

происходит его загрязнения (это может быть важно в

полупроводниковой промышленности или фармацевтике).

Термоиндикаторы

Термоиндикаторы – это особые вещества, изменяющие свой цвет под

воздействием температуры. Такое изменение цвета может быть как

обратимым, так и необратимым. В диапазоне комнатных температур

используются термоиндикаторы на основе жидких кристаллов. Они плавно

изменяют свой цвет при изменении температуры. Изменения эти, как

правило, обратимые.

Производятся термоиндикаторы в виде пленки

, часто с клейкой

подложкой, и служат для оперативного визуального контроля температуры.

Для низких и высоких температур производятся в основном необратимые

термоиндикаторы. То есть, если температура хотя бы один раз превысила

допустимую, то индикатор необратимо меняет свой цвет.

Такие термоиндикаторы используют, например, для контроля

замороженных продуктов. Если в процессе хранения или

транспортировки

температура хоть раз была выше допустимой, то изменившаяся окраска

термоиндикатора сообщит об этом.

Основное достоинство термоиндикаторов низкая стоимость. Их можно

использовать как одноразовые датчики температуры.

Промышленные образцы устройств контроля температуры

Это, например, следующие разновидности датчиков:

• термопреобразователи сопротивления (с медным, никелевым или

платиновым чувствительным элементом), в т.

ч. малогабаритные

датчики с клеммной коробкой для применения в офисах, квартирах и

др. помещениях, в которых важен внешний вид приборов;

• датчики температуры в герметичном маленьком корпусе диаметром от

3 мм и др.;

• термопараные датчики - хромель-алюмелевые (ХА), хромель-

копелевые (ХК) с кабельным выводом диаметром зонда от 2 мм и

длиной

от 15 мм;

• высокотемпературные термопарные датчики (ПП, ПР, ТВР);

• термопары с проволочным выводом (1000°С) и диаметром зонда от 3

мм и длиной от 10 мм и т.п.

Промышленностью выпускается широкий спектр вторичных приборов к

датчикам температуры.

Приборы температурной защиты объектов контроля и регулирования.

В числе изготавливаемых приборов такие уникальные, как миниатюрное

термореле РТ1 и температурный светоизлучатель СИТ68-01, а также

термовыключатели и терморезисторы.

Цифровые термометры общего применения

Задачи по контролю температуры в медицине, промышленности,

транспорте и т.д. с точки зрения сбора и анализа данных об объекте наиболее

оптимально и эффективно было бы решать с помощью электронных

приборов. Широчайшие диапазоны измерения температуры, максимально

быстрое и точное получение информации в удобном для восприятия и

анализа виде могут гарантировать

цифровые термометры, а интегрирование

их с любыми типами электронных систем делает их вовсе незаменимыми.

Малогабаритность, экономичность, автономность питания, малая тепловая

инерционность и гигиеническая безвредность обусловили их массовое

внедрение во все сферы жизни.

Прибор предназначен для точного измерения в широких пределах

температуры различных объектов и может быть использован как в быту,

так

и в технике.

Цифровой термометр состоит из:

• теплового чувствительного элемента (как правили это - терморезистор,

через который протекает ток);

• АЦП (аналого-цифровой преобразователь, призванный полученный от

терморезистора аналоговый сигнал, в данном случае определенную

величину тока, преобразовать в цифровой сигнал);

• дисплея;

• схем устройств ввода-вывода сигналов для

взаимодействия с другими

устройствами;

• элемента питания.

Термометр с выносным датчиком.

Карманный цифровой термометр со щупом.

Цифровой термометр со щупом.

Цифровой термометр со складывающимся щупом

Термометр готов к работе сразу после включения питания. Диапазон

измерения температуры большинства цифровых термометров, как правило,

от -60 до + 100°С (для промышленных нужд используются термометры с

значительно расширенным диапазоном измерений), точность измерения

0,010 °С – определяется только качеством. Рабочая температура корпуса

прибора 15...25 °С. Термометр питается от встроенной батареи и потребляет

ток не более

2 мА. Чувствительным элементом прибора служит

температурный датчик, принцип действия которого основан на свойстве

некоторых материалов изменять свое электрическое сопротивление при

изменении температуры. В качестве датчика температуры пригоден

практически любой кремниевый диод, предпочтение рекомендуется отдавать

приборам с наименьшими габаритами.

Принцип действия такого термометра основан на выполнении следующей

последовательности действий:

• преобразование

сопротивления в напряжение при помощи источника

тока;

• преобразование напряжения в код при помощи встроенного в

контроллер аналогово-цифрового преобразователя (АЦП);

• подача полученного кода в микроконтроллер (МК), где полученная

информация обрабатывается и передается на устройство индикации

(для цифровых термометров обычно используют семисегментные

индикаторы, но также активно используются и ЖК

-технологии).

Структурная схема цифрового термометра.

Изменение температуры объекта, в котором размещен термодатчик,

вызывает изменение сопротивления датчика, которое в блоке Е1

преобразуется в соответствующее изменение напряжения. Преобразователь

U1 питается от стабилизатора тока G1. Выходной сигнал блока Е1

усиливается усилителем А1 и поступает к аналого-цифровому

преобразователю (АЦП) U2, на выходе которого включен цифровой блок

индикации H1, высвечивающий текущую температуру контролируемого

объекта.

Цифровой термометр (антибактериальный, водонепроницаемый, имеется

память, звуковой сигнал, индикация разряда).

Медицинский термометр с антибактериальной и влагозащитной

конструкцией и функцией автоматического отключения.

Пирометры

В промышленности наряду с термодатчиками широко применяют

пирометры.

Пирометр - бесконтактный инфракрасный термометр

Переносные инфракрасные термометры высокого быстродействия,

разностороннего применения, с лазерным целеуказателем.

16.4 Акустические методы измерения температуры

При работе в экстремальных условиях (в диапазоне криогенных

температур, при высоких уровнях радиации, и т.п.), а также при проведении

измерений в замкнутом герметичном объеме, где невозможно разместить

контактные датчики или использовать ИК преобразователи

, бывает очень

сложно измерить температуру объекта или среды. В таких случаях

применяют акустические датчики температуры, принцип действия которых

основан на реализации функциональной зависимости скорости звука от

температуры среды, через которую он распространяется. Например, для

сухого воздуха при нормальных условиях эта зависимость имеет вид:

15,273

5,331

≈

(м/с), (16.1)

где Т – абсолютная температура.

Акустический датчик температуры состоит из трех компонентов:

ультразвукового излучателя и приемника, а также герметичной полости,

например, трубки, заполненной газом. Излучатель и приемник представляют

собой керамические пьезоэлектрические пластины, акустически не связанные

с трубкой, что обеспечивает распространение звука преимущественно через

газ внутри трубки. В качестве

газ чаще всего используют воздух. Используют

также конструкции преобразователей, в которых звук распространяется

непосредственно в исследуемой среде. Но при этом необходимо соблюдать

условие постоянства массы в измеряемом объеме газа. Для изготовления

трубки часто используют инвар.

Рис. 16.9 Акустический термометр с ультразвуковым преобразователем.

Тактовое устройство данного прибора работает на низкой частоте

(порядка 100 Гц). Его импульсы запускают передатчик и блокируют

приемник. Приемник принимает сигнал только тогда, когда на него приходит

разрешающий сигнал. Блок управления по времени распространения

звуковой волны в среде определяет скорость звука, по которой вычисляется

температура среды.

При использовании отраженного сигнала

применяют схему с одним

пьезоэлементом, работающим на излучение и прием акустического сигнала.

На основе ПАВ-датчиков создают миниатюрные датчики температуры.

Их принцип действия основан на использовании температурной зависимости

условий распространения поверхностных волн в чувствительном элементе

датчика. Такие датчики являются преобразователями температуры в частоту.

Чувствительность таких устройств достигает десятков кГц на

один градус.

16.5 Пьезорезонансные датчики температуры

В устройствах данного типа реализуется зависимость от температуры

частоты колебаний пьезорезонатора. Для пьезокварцевых резонаторов

частота собственных колебаний кристалла сильно зависит от угла среза, от

его кристаллографической ориентации. Поэтому выбирая различные типы

срезов кварца можно получить кристаллы, обладающие различающейся

температурной чувствительностью. При разработке высокоточных датчиков

температуры температурную

зависимость преобразователя аппроксимируют

полиномом высокого порядка. Порог чувствительности таких устройств

может достигать тысячных долей градуса.

Недостатком ПРД температуры является их низкое быстродействие, так

как невозможно обеспечить непосредственный контакт пьезорезонатора с

объектом измерения.

17. Методы и средства измерения количества тепла

Все химические и физические процессы идут с поглощением или

выделением тепла, так как при этом происходит изменение внутренней

структуры вещества. Например, при смешивании, титровании, растворении,

сорбции, гидратации, нейтрализации, испарении, сублимации, плавлении

веществ измеряя количество выделившегося или потребленного тепла можно

производить измерение или контроль протекания различных

технологических и других процессов. Для

этой цели используют

жидкостные, твердотельные и газообразные калориметры. В основе их

принципа действия лежит измерение температуры ЧЭ. Например,

калориметры горения используют для определения теплотворной

способности горючих веществ.

Рис. 17.1 Устройство жидкостного калориметра: