Измерение температуры. Контактный и бесконтактный способы. Измерение тепловых потоков. Измерение температуры бесконтактное
Бесконтактный метод: пирометры для измерения температуры
Пирометр – это прибор для контроля нагрева объектов бесконтактным (удалённым) способом. Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом начали выпускать ещё в шестидесятых годах прошлого века.
Принцип работы электроприбора основан на движении электрического тока, который попутно производит нагрев проводников и аппаратов. Если эксплуатационный режим в норме, то устанавливается температурный баланс между поступлением тепла от проводников и отводом его во внешнюю среду.
При ослаблении контактов проводов сопротивление сети электрического тока увеличивается, это влечёт за собой повышение температуры, что зачастую приводит к возникновению неисправности. Именно поэтому производится постоянный контроль температуры токоведущих элементов в электротехническом оборудовании высоковольтных подстанций и других объектов энергетики.
Традиционные методы контроля температуры здесь неприменимы, поэтому применяется дистанционное измерение температуры, без установки контактных приборов.
Принципы бесконтактного измерения температуры
В любом физическом объекте осуществляется перемещение частиц атомов и сопровождается образованием электромагнитных волн. Температура напрямую оказывает действие на интенсивность протекания процессов, по состоянию интенсивности можно определить количество выделяемого тепла. Это и есть основа бесконтактных измерений температуры.
Тепловой объект с температурой «Х» отдаёт тепловой поток (инфракрасное излучение) в окружающую среду в количестве «В», который будет принят удалённым датчиком тепла. Внутренняя схема датчика преобразовывает полученную информацию в требуемую (температуру) и отображает на экране прибора. Приборы дистанционного замера температуры посредством инфракрасного излучения – это пирометры. Для точного отображения результатов замеров необходимо чётко установить пределы шкалы электромагнитных волн. Ориентировочно – нижний предел 0,5 и верхний 20 мкм. Пирометр бесконтактный — инфракрасный термометр.
Влияние внешних причин на точность измерений
Точность показаний пирометров зависит от нескольких причин:
поверхность наблюдаемого участка оборудования должна находиться в прямой видимости;
запылённость, водяные пары и туман на пути между источником излучения и принимающим датчиком делают сигнал более слабым, как и загрязнения на приёмном устройстве;
сам наблюдаемый участок своей структурой и состоянием воздействует определённым образом на плотность инфракрасного излучения и, как следствие, на отображение температуры.
Влияние последней причины поясняет график зависимости поправочного коэффициента от длины волны. График отражает показатели источников излучения чёрного и цветного оттенков. Основой для сравнивания инфракрасного излучения служит чёрный цвет, он принят за единицу. Коэффициенты всех остальных могут быть только меньше единицы.
Влияние на точность термометра оказывают также:
длина волны инфракрасного излучения, на которой производится измерение;
температура наблюдаемого участка.
Устройство бесконтактных измерителей – пирометров
Бесконтактные измерители температуры по методу работы с информацией могут быть двух типов: пирометры и тепловизоры. Конструкция последних сходная с устройством пирометров. Но назначение приборов и их возможности различны:
пирометром измеряют среднюю температуру наблюдаемого участка;
тепловизор даёт возможность определить нагрев каждой части наблюдаемого участка.
В состав пирометра-термометра входят:
датчик приёма инфракрасного луча с системой оптики и зеркальным световодом;
преобразующая поступивший луч электронная плата;
экран, на который выводится показатель температуры;
кнопка управления.
Тепловое излучение собирается в фокус системой оптики и посредством зеркального световода подаётся на датчик первого преобразователя теплового луча в электросигнал с напряжением, прямо пропорциональным излучению. Второе преобразование электросигнала осуществляется в электронной плате, после чего информация выводится измерительно-счётным блоком на экран в виде цифр. Казалось бы, всё просто и для дистанционного замера температуры надо:
кнопкой управления включить пирометр-термометр;
навести аппарат на точку замера и считать цифры с экрана.
Но нет, чтобы получить точный результат, надо ещё и обратить внимание на условия видимости точки замера и прозрачности воздуха, а также правильно установить место стоянки при измерении – оно определяется оптическими параметрами аппарата. Мало правильно навести пирометр на участок замера, необходимо ещё и выбрать расстояние для установления площади измеряемого участка. Тогда оптика будет работать с тепловым излучением только от нужного участка, без помех от излучений близлежащих устройств.
Лазерные указатели цели
Более современные модификации пирометров комплектуются лазерными указателями цели, помогающими правильно навести датчик на точку замера и определить площадь измеряемого участка. У них различные принципы действия и точность наведения тоже различная:
одиночный лазерный луч – ориентировочно показывает центр участка замера и границы его устанавливает неточно, его ось не совпадает с центром оптики пирометра, поэтому имеет место погрешность параллакса;
способ коаксиальный не имеет такого недостатка – луч лазера и оптическая ось полностью совпадают и луч показывает прямо в центр участка, но не может определить его границ;
с двойным лучом лазера – этот указатель цели в состоянии показать размеры участка замера, но при небольших расстояниях может возникать неточность. Это особенно часто происходит на короткофокусных объективах;
с кросс-лазером указатели цели предназначены для улучшения работы пирометров с короткофокусными объективами;
одиночный круговой лазерный луч – с его помощью можно оконтурить участок замера, но, как и просто одиночный лазерный луч, он подвержен параллаксу и искажает показания аппарата на небольших расстояниях в сторону увеличения;
круговой точный лазерный указатель цели – самый надёжный из перечисленных выше и не имеет недостатков других конструкций.
Информация о температурных параметрах точек дистанционного наблюдения на пирометрах-термометрах выводится на экран в текстовом и цифровом виде.
Особенности конструкций пирометров
Мобильные (переносные) пирометры-термометры позволяют производить удалённо измерения во многих местах электрооборудования:
на вводах и контактах трансформаторов, выключателей и разъединителей, работающих под напряжением;
в высоковольтных подстанциях и распределительных щитах, сборках систем шин;
на соединениях проводов воздушных ЛЭП и других силовых установок и цепей.
Но в некоторых случаях на электрооборудовании можно контролировать нагрев без использования дорогостоящих пирометров, а установить стационарно измерители более простой конструкции. Например, измерение нагрева обмотки возбуждения на вращающемся роторе генератора – датчик температуры — термометр устанавливают в ближней зоне контроля, где он и принимает тепловое излучение. Сигнал, преобразованный внутренней платой, поступает на прибор отображения показателей в виде стрелки и шкалы значений. Такие схемы просты и надёжны.
По назначению пирометры и тепловизоры делятся на две категории:
высокотемпературные измерители – для контроля сильно нагретых элементов электрооборудования;
низкотемпературные измерители – они могут измерять температуру элементов даже работающего на морозе электрооборудования.
Современные пирометры последних моделей оборудованы системами связи и подключаются для передачи информации к расположенным в офисе компьютерам.
instrument.guru
Бесконтактные методы измерения температуры
Бесконтактные измерения температуры незаменимы в тех случаях, когда нежелательно, невозможно, сложно или опасно обеспечить механический контакт датчика с объектом измерения [1].
Не так легко определить температуру находящегося в движении объекта, например быстродвижущейся бумажной ленты, или вращающегося барабана бетономешалки, или потока горячего асфальта. Иногда поверхность объекта, температура которого интересует, недоступна или небезопасна (например, при оценке перегрева контактного соединения воздушной линии электропередачи или высоковольтного трансформатора).
Другая ситуация: объект исследования имеет малые габаритные размеры и массу (следовательно, малую теплоемкость) и использование контактных термометров привело бы к очень большой методической погрешности (погрешности взаимодействия) за счет значительного количества тепла, отнимаемого датчиком прибора от объекта и, как следствие, недопустимого искажения режима его работы и, естественно, результата измерения. Особенно сильно это проявлялось бы при необходимости исследования достаточно быстрых изменений температуры исследуемого объекта малой массы, например в случае оценки температуры миниатюрных электронных узлов.
Бесконтактные методы и средства измерений температуры являются так называемыми неинвазивными, т. е. не требуют вмешательства в ход технологического процесса, не создают проблем с установкой датчиков, не требуют контакта с объектом исследования, не порождают погрешностей взаимодействия инструмента с объектом и некоторых других неприятностей.
Еще один класс задач, где использование бесконтактных методов и средств не только целесообразно, но и неизбежно (так как не имеет альтернативы) − измерение сверхвысоких температур (например, измерение температуры расплавленных металлов). Возможная верхняя граница контактно-измеряемых температур составляет 2 000... 2 500 град.С, поэтому измерения более высоких температур производят только бесконтактными методами.
Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения (InfraRed Instrumentation) − термометрах и измерительных преобразователях, а также в оптических термометрах − пирометрах. Инфракрасные измерители обеспечивают измерение температур в широком диапазоне температур (50...5000°С). Оптические термометры (пирометры) принципиально пригодны лишь для измерения очень высоких температур, при которых поверхность объекта уже, видимо, светится (600 °С и выше). Кроме того, точность и чувствительность измерения оптическими термометрами невысоки.
Важными достоинствами ИК-термометров являются широкие диапазоны измеряемых температур, достаточно высокие точность, чувствительность и быстродействие, хорошие эксплутационные характеристики, сравнительно невысокая стоимость. Однако не так просто реализовать основные преимущества ИК-термометров. Для достоверного результата измерения требуются достаточно высокая квалификация пользователя, знание специфики ИК-измерений, определенный опыт практических обследований [5].
Любое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (-273 °С), имеет тепловое излучение. С ростом температуры увеличиваются амплитуда и частота колебаний молекул вещества тела. Человек своими органами чувств (осязанием) воспринимает тепло и свет (зрением). Физическая природа колебаний одна и та же (тепловая), но частота колебаний различна и зависит от конкретной степени нагретости объектов. При температуре 600... 1 000 град.С и выше (в зависимости от материала объекта) некоторое количество энергии тела излучается в видимой глазом части спектра.
В физике используется понятие «оптическое излучение», соответствующее электромагнитному излучению с длинами волн X, расположенными в диапазоне 1 нм... 1 мм. Этот диапазон делится на три части. Рисунок 23 иллюстрирует соотношение поддиапазонов ИК-излучения, видимого (В), ультрафиолетового (УФ) и соседних излучений. Верхняя ось абсцисс показывает значения частот F, нижняя − соответствующие частотам значения длин волн λ (в логарифмическом масштабе).
Диапазон длин волн X ультрафиолетового излучения составляет 1,0 нм... 0,38 мкм. Диапазон длин волн X видимого излучения − 0,38...0,76 мкм. Диапазон длин воли X ИК-излучения − 0,76... 1000 мкм.
10-1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14Рисунок 23. − Диапазоны частот F и длин волн λ различных излучений
Устройство ИК-термометра
Методы и приборы бесконтактного ИК-измерения основаны на количественной оценке инфракрасного (теплового) излучения объекта. Тепловое излучение обладает практически теми же свойствами, что и видимый человеком свет: распространяется прямолинейно, способно отражаться, преломляться, проникать сквозь некоторые тела, может быть сфокусировано оптической системой линз (не обязательно прозрачных) и т.д. На рисунке 24 показана упрощенная структура ИК-термометра.
1 − объект; 2 − объектив; 3 − приемник
Рисунок 24 − Упрощенная структура ИК-термометра
Тепловое излучение поверхности объекта объективом прибора фокусируется на приемник, в качестве которого часто выступает термопара. ТермоЭДС термопары усиливается усилителем (Ус), преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой код, которым некоторое время хранится в запоминающем регистре (Рг) и представляется на индикаторе результатом измерения. Объектив ИК измерителя одновременно выполняет функцию полосового фильтра частот.
Инфракрасный измеритель может также содержать узлы связи (аналоговой или цифровой) с внешними устройствами. На рисунке 24 показаны аналоговый (АВ) и цифровой (ЦВ) выходы. Наличие у ИК-термометра выхода аналогового сигнала, пропорционального текущему значению измеряемой температуры, позволяет подключить прибор к внешнему аналоговому самопишущему прибору или к цифровому измерительному регистратору.
Для задач длительного мониторинга применяются также инфракрасные измерительные преобразователи. Эти устройства не имеют индикатора, их выходной аналоговый сигнал представлен то ком (например, 4...20 мА), пропорциональным измеряемой температуре, или напряжением (например, 0...5 В). Они предназначены для работы совместно с показывающими приборами или с регистраторами в составе измерительных установок, комплексе и или систем.
Оптические средства измерений температуры по воспринимаемому излучению носят название пирометров. Пирометры делятся на:
− цветовые (основанные на измерении отношения интенсивностей излучения).
− радиационные (воспринимающие полную энергию излучения),
− яркостные (воспринимающие энергию излучения в какой-либо узкой части спектра).
Цветовой пирометр
Схема автоматического цветового пирометра представлена на рисунке 25, а, а на рисунке 25, б приведена его блок-схема сигналов. Излучение объекта 1 фокусируется линзой 2 и передается на модулятор – колеблющееся зеркало 3 с электромагнитным вибратором 4. Отраженное от зеркала излучение передается поочередно через красный (7) и зеленый (6) светофильтры на фотоприемник 10. В начале шкалы интенсивности красного и зеленого участков спектра одинаковы, и поэтому фотоприемник при сканировании излучением фильтров выдает равные напряжения. С ростом температуры объекта интенсивность зеленого излучения возрастает, что вызывает соответствующее увеличение выходного тока усилителя 9. Увеличение тока, в свою очередь, вызывает увеличение амплитуды колебаний зеркала относительно зеленого светофильтра. При этом возрастает поглощение зеленого излучения оптическим клином 8 до выравнивания интенсивностей излучения обоих цветов на входе фотоприемника. Отклонение выходного тока усилителя является мерой искомой температуры объекта. Пирометры такого типа позволяют измерять температуры, превышающие 700°С [1].
infopedia.su
Измерение температуры | КИПиА Портал
Одним из важнейших физических параметров, который чаще всего наблюдается и контролируется, будь то повседневная бытовая жизнь человека, производственные циклы или лабораторные исследования, является температура.
Температурой — называют величину, характеризующую тепловое состояние тела. Согласно кинетической теории температуру определяют как меру кинетической энергии поступательного движения молекул. Отсюда температурой называют условную статистическую величину, прямо пропорциональную средней кинетической энергии молекул тела.
В соответствии с Международной практической температурной шкалой 1968 г. основной температурой является термодинамическая температура, единица которой — Кельвин (К), но на практике чаще применяется температура Цельсия, единица которой — градус (С), равный Кельвину. между температурой Цельсия и термодинамической температурой существует следующее соотношение:
t, С=Т, К-273,15
Для изменения температур применяется контактные и бесконтактные методы. Для реализации контактных методов измерения применяются:
термометры расширения
стеклянные
жидкостные
манометрические
биметаллические
дилатометрические
термопреобразователи
термосопротивления (проводниковые и полупроводниковые)
термоэлектрические преобразователи
Бесконтактные измерения температуры осуществляются пирометрами (квазимонохроматическими, спектрального отношения и полного излучения).
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.
Серийно выпускаемые термометры и термопреобразователи охватывают диапазон температур от — 260 до 2200°С и кратковременно до 2500°С. Бесконтактные средства измерения температуры серийно выпускаются на диапазон температур от 20 до 4000°С.
В таблице 1 приведены наиболее распространенные устройства для измерения температуры и практические пределы их применения.
Термоэлектрические термометры (термопары) специальные
1300
2500
Тепловое излучение
Оптические пирометры.
700
6000
Радиационные пирометры.
20
3000
Фотоэлектрические пирометры.
600
4000
Цветовые пирометры
1400
2800
Термометры стеклянные
Принцип действия основан на зависимости объемного расширения жидкости от температуры. Отличаются высокой точностью, простотой устройства и дешевизной. Однако стеклянные термометры хрупки, как правило, не ремонтопригодны, не могут передавать показания на расстояние.
Основными элементами конструкции являются резервуар с припаянным к нему капилляром, заполненные частично термометрической жидкостью, и шкала.
Конструктивно различаются палочные термометры со шкалой, вложенной внутрь стеклянной оболочки. У палочных термометров шкала наносится непосредственно на поверхность толстостенного капилляра. У термометров с вложенной шкалой капилляр и шкальная пластина с нанесенной шкалой, заключены в защитную оболочку, припаянную к резервуару.
Стеклянные термометры расширения выпускаются для измерения температур от -100 до 600°С.
Выпускаются также ртутные электроконтактные термометры, предназначенные для сигнализации или поддержания заданной температуры. Термометры выпускаются с заданным постоянным контактом (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК).
Точность показаний термометров зависит от правильности их установки. Важнейшим требованием, предъявляемым при установке, является обеспечение наиболее благоприятных условий притока тепла от измеряемой среды к термобаллону и наименьший отвод тепла от остальной части термометра во внешнюю среду. Большей частью термометры устанавливают в защитную оправу.
Рисунок 1. Стеклянные термометры
Рисунок 2. Электроконтактные термометры
Манометрические термометры
Манометрические термометры предназначены для непрерывного дистанционного измерения температуры жидких и газообразных нейтральных сред в стационарных условиях.
Принцип действия основан на измерении давления (объема) рабочего вещества в замкнутом объеме в зависимости от температуры чувствительного элемента. Основными частями манометрических термометров являются термобаллон (чувствительный элемент), капилляр и деформационный манометрический преобразователь, связанный со стрелкой прибора.
Рисунок 3. Схема манометрического термометра
В зависимости от агрегатного состояния вещества, заполняющего систему, манометрические термометры делятся на жидкостные, газовые и парожидкостные (конденсатные). В качестве заполнителей термосистем применяются: в газовых манометрических термометрах — азот, в жидкостных — полиметилоксановые жидкости, в парожидкостных -ацетон, метил хлористый, фреон.
Измерение температуры контролируемой среды воспринимается заполнителем через термобаллон и преобразуется в изменение давления, под действием которого манометрическая трубчатая пружина с помощью тяги и сектора перемещает стрелку относительно шкалы.
Схема манометрического термометра
В зависимости от выполняемых функций манометрические термометры разделяются на показывающие, самопишущие, комбинированные, бесконтактные, с наличием устройств для телеметрической передачи, сигнализации, регулирования или без них.
В зависимости от способа соединения термобаллона с корпусом, термометры могут быть местные и дистанционные. В зависимости от формы диаграммы и поля записи, самопишущие термометры подразделяют на дисковые, ленточные. В зависимости от типа механизма для передвижения диаграммных лент самопишущие термометры изготовляют с часовым или электрическим приводом.
Достоинством манометрических термометров являются: возможность измерения температуры без использования дополнительных источников энергии, сравнительная простота конструкции, возможность автоматической записи показаний, взрывобезопасность, нечувствительность к внешним магнитным полям.
К недостаткам относятся: относительно невысокая точность измерения, трудность ремонта при разгерметизации измерительной системы, низкая прочность капилляра, небольшое расстояние дистанционной передачи показаний, значительная инерционность.
Термопреобразователи сопротивление применяются для измерения температур а пределах от -260 до 750°С. Принцип действия основан на свойстве проводника изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Основными частями термопреобразователя сопротивления являются: чувствительный элемент, защитная арматура и головка преобразователя с зажимами для подключения и соединительных проводов. Чувствительные элементы медных термопреобразователей представляют собой проволоку, покрытую эмалевой изоляцией, которая бифилярно намотана на каркас, либо без каркаса, помещенную в тонкостенную металлическую оболочку. Чувствительный элемент помещается в защитную арматуру.
Платиновая проволока не может быть покрыта слоем изоляции. Поэтому платиновые спирали располагают в тонких каналах керамического каркаса, заполненных керамическим порошком. Этот порошок выполняет функции изолятора, осуществляет фиксацию положения спиралей в каналах и препятствует межвитковому замыканию.
Термопреобразователи сопротивления выпускаются для измерений температур в диапазоне от -260 до 1100°С следующих исполнений: погружаемые и поверхностные, стационарные и переносные; негерметичные и герметичные; обыкновенные, пылезащищенные, водозащищенные, взрывобезопасные, защищенные от агрессивных сред и других внешних воздействий; малоинерционные, средней и большой инерционности; обыкновенные и виброустойчивые; одинарные и двойные; 1 — 3 классов точности.
Выпускаются термопреобразователи сопротивления следующих номинальных статических характеристик преобразования: платиновые -10П, 50П, 100П, медные -10М, 50М, 100М. Число в условном обозначении характеристики показывает сопротивление термопреобразователя при 0°С.
К числу достоинств следует отнести высокую точность и стабильность характеристики преобразователя, возможность измерять криогенные температуры, возможность осуществления автоматической записи и дистанционной передачи показаний.
К недостаткам следует отнести больше размеры чувствительного элемента, не позволяющие измерять температуру в точке объекта или измеряемой среды, необходимость индивидуального источника питания, значительная инертность.
Термоэлектрические преобразователи
Термометры термоэлектрические представляют собой чувствительные элементы в виде двух проводов из разнородных металлов или полупроводников со спаянными концами. Действие термоэлектрического преобразователя основано на эффекте Зеебека — появлении термоЭДС в контуре, составленном из двух разнородных проводников, спаи которых нагреты до различных температур. При поддержании температуры одного из спаев постоянной можно по значению термоЭДС судить о температуре другого спая. Спай, температура которого должна быть постоянной, принято называть холодным, а спай, непосредственно соприкасающийся с измеряемой средой — горячим.
В наименовании термоэлектрического преобразователя всегда принято ставить на первое место название положительного термоэлектрода, а на второе — отрицательного.
Преобразователи термоэлектрические изготовляют следующих типов:
— По способу контакта с измеряемой средой — погружаемые, поверхностные.
— По условиям эксплуатации — стационарные, переносные, разового применения, многократного применения, кратковременного применения.
— По защищенности воздействия окружающей среды — обыкновенные, водозащитные, защищенные от агрессивных сред, взрывозащищенные, защищенные от других механических воздействий.
— По герметичности к измеряемой среде — негерметичные, герметичные.
— По числу термопар — одинарные, двойные тройные.
— По числу зон — однозонные, многозонные.
Если температуру холодного спая поддерживать постоянной, то термоЭДС будет зависеть только от степени нагрева рабочего конца термопреобразователя , что позволяет отградуировать измерительный прибор в соответствующих единицах температуры . В случае отклонения температуры свободных концов от градуировочного значения, равного 0°С, к показаниям вторичного прибора вводиться соответствующая поправка. Температуру свободных концов учитывают для того, чтобы знать величину поправки.
Для вывода свободных концов термопреобразователя в зону с постоянной температурой служат удлиненные термоэлектродные провода. Они должны быть термоэлектрически идентичны термоэлектродам термопреобразователя.
Существует два способа подбора компенсационных проводов. Первый способ — подбирают провода, которые в паре с соответствующим электродом имеют термоЭДС. Его применяют в тех случаях, когда необходимо производить измерения с повышенной точностью. В случае недефицитных материалов и удовлетворительных эксплуатационных свойств провода изготовляют из тех же материалов, что и подключаемая термопара.
Таким образом, чтобы определить измеряемую температуру среды с помощью термоэлектрического преобразователя, необходимо выполнить следующие операции:
измерить термоЭДС в цепи преобразователя;
определить температуру свободных концов;
в измеряемую величину термоЭДС ввести поправку на температуру свободных концов;
по известной зависимости термоЭДС от температуры определить измеряемую температуру среды.
В зависимости от материала термоэлектродов различают: термопреобразователи с металлическими термопарами из благородных и неблагородных металлов и сплавов; термопреобразователи с термопарами из тугоплавких металлов и сплавов.
Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термоЭДС, широко пользуются для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях. Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяются доя измерения температур до 1000°С. Достоинством этих термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность из развивать большие термоЭДС.
Для защиты термоэлектродов от механических повреждений и агрессивного действия среды, а также для удобства установки на технологическом оборудовании применяют защитную арматуру. Материал и исполнение арматуры могут быть различными в зависимости от назначения и области применения. Наиболее широко в качестве материалов используют высоколегированные стали и коррозионно — стойкие, жаропрочные и жаростойкие сплавы на основе железа, никеля, хрома и добавок алюминия, кремния, марганца.
Бесконтактное измерение температуры, основные понятия и законы излучения
О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.
Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 °С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.
На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:
пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;
пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;
пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.
В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.
Радиационной температурой реального тела Тр называют температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.
Яркостной температурой реального тела Тя называют температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.
Цветовой температурой реального тела Тц называют температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волн и равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд.
kipia-portal.ru
Бесконтактное измерение температуры по излучению
Термометры, действие которых основано на измерениитеплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролироватьтемпературуот 100 до 60000С и выше.[4]
На законах излучения основывается ряд бесконтактных методов измерения температуры. Наибольшее распространение получили следующие методы измерения температуры по излучению:
- Квазимонохроматический (яркостной) метод, использующий зависимость спектральной энергетической яркости тела от температуры.
- Метод спектрального отношения (цветовой), основанный на перераспределении с с температурой спектральных энергетических яркостей внутри данного участка спектра (отношения двух спектральных энергетических яркостей).
- Метод полного излучения (радиационный), основанный на зависимости энергетической яркости тела от температуры в широком спектральном интервале.
В связи с чрезвычайным разнообразием излучательных свойств реальных тел пирометры излучения градуируются по излучению абсолютно черного тела. Поэтому значения температуры реальных тел, отсчитанные по пирометрам излучения, являются не действительными температурами тела, а псевдотемпературами. Эти псевдотемпературы носят соответствующие названия: яркостная, цветовая и радиационная температура тела.
Яркостной температуройреального физического тела называется такая температура абсолютно черного тела, при которой спектральная энергетическая яркость абсолютно черного тела равна спектральной энергетической яркости реального физического тела при его действительной температуре. Аналогично можно дать определение цветовой и радиационной температурам.Радиационной температуройреального тела называюттемпературу, при которой полная мощность абсолютно черного тела равна полной энергии излучения данного тела при действительнойтемпературе.Цветовой температуройреального тела называюттемпературу, при которой отношения плотностей потоков излучения абсолютно черного тела для двух длин волн1и2равно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительнойтемпературе.[2]
Достоинства пирометров излучения:
- измерение основано на бесконтактном способе, следовательно, отсутствует искажение температурного поля, вызванное введением преобразовательного элемента прибора в измеряемую среду, а также нет коррозии самого аппарата из-за высокой температуры;
- верхний предел измерения температуры теоретически неограничен;
- имеется возможность измерения температур пламени и высоких температур газовых потоков при больших скоростях, когда трудно использовать другие методы. [3]
Недостаток пирометров излучения заключается в том, что они позволяют измерять только псевдотемпературы реальных тел.[2]
Рассмотрим подробнее теоретические основы и принцип действия квазимонохроматических (оптических) пирометров.
Теоретические основы работы оптических пирометров
Лучистая энергия выделяется нагретым телом в виде волн различной длины. При сравнительно низких температурах (до 500 оС) нагретое тело испускает инфракрасные лучи, не воспринимаемые человеческим глазом. По мере повышения температуры цвет тела меняется от темно-красного до белого, содержащего волны всех воспринимаемых глазом длин. Одновременно с повышением температуры нагретого тела и изменением его цвета быстро возрастает спектральная энергетическая яркость (СЭЯ), т.е. излучение определенной волны (яркости), а также заметно увеличивается суммарное (интегральное излучение).
Теоретически можно обосновать лишь явление лучеиспускания абсолютно черного тела (коэффициент его лучеиспускания принимают равным единице). Все реальные физические тела обладают способностью отражать часть падающих на них лучей. Коэффициент лучеиспускания реальных тел меньше единицы, причем он зависит как от природы данного тела, так и от состояния его поверхности.
Возрастание СЭЯ с повышением температуры различно для волн разных длин и в области сравнительно невысоких температур для абсолютно черного тела описывается уравнением Вина:
,
где Е0- СЭЯ абсолютно черного тела для волны длиной; Т – абсолютная температура тела, К; С1и С2– константы излучения, числовые значения которых зависят от принятой системы единиц; С1= 2hc2(h– постоянная Планка, с – скорость света), С2=Nhc/R(N– постоянная Авогадро,R– универсальная газовая постоянная).[3]
Поскольку СЭЯ неодинакова для различных длин волн, уравнение Вина применяют в яркостной пирометрии для волны определенной длины (обычно для красного цвета длиной волны 0,65 или 0,66 мкм).
Уравнением Вина можно пользоваться до температуры примерно 3000 К. При более высоких температурах СЭЯ абсолютно черного тела описывается уравнением Планка [3]:
.
Реальные физические тела излучают энергию менее интенсивно, чем абсолютно черное тело. В результате измерения квазимонохроматическими пирометрами получают так называемую условную температуру. Для перехода от условной (яркостной) температуры к истинной используют преобразованное уравнение Вина.
Если сравнить СЭЯ Ереального (серого) тела при определенной длине волныс СЭЯ Е0абсолютно черного тела при той же длине волны, то их отношение будет выражать степень черноты тела при определенной длине волны[3]:
.
Абсолютно черное тело при яркостной температуре Тяи длине волныимеет яркость В0. Такую же яркость при той же длине волны имеет реальное тело при температуре Т, т.е. В(Т)= В0(Тя). Яркость тела Впрямо пропорциональна СЭЯ Е, следовательно,
В= kE,
где k– коэффициент пропорциональности.
Яркость реального тела, нагретого до температуры Т, данной длине волны [3]:
В(Т)=.
Яркость абсолютно черного тела, нагретого до температуры Тя:
В0(Тя)=.
Сравнив правые части этих уравнений, после логарифмирования получим уравнение истинной температуры Т физического тела по яркостной (условной) температуре Тя, измеренной квазимонохроматическим пирометром:
,
где Тя– яркостная (условная) температура тела, измеренная пирометром, К;- длина волны, мкм; С2– константа уравнения Вина;- степень черноты тела для данной длины волны. [3]
studfiles.net
Инфракрасный градусник – виды термометров бесконтактных для измерения температуры тела
Термометр бесконтактный для измерения температуры тела необходим в каждом доме, особенно там, где есть маленькие дети. Одним из главнейших факторов поддержания хорошего самочувствия человека является именно нормальная температура тела. При любом ухудшении здоровья первый шаг – её измерение. Нормой принято считать показатель 36,5-36,7 градусов по Цельсию. Если возникают отклонения от нормы, то состояние человека ухудшается. Бывает жар, когда температура настолько высокая, что рукой прощупывается при касании к телу. Во всех остальных случаях, чтобы получить данные о состоянии температуры, необходим бесконтактный или классический градусник.
Какие бывают градусники?
На рынке представлены несколько видов термометров:
ртутные;
электронные;
инфракрасные.
Проверенным временем термометром, отличающимся надежностью и точностью данных, считается ртутный градусник. Система измерения температуры тела с помощью него довольно проста. Пациенту кладут термометр под руку, ожидают 4-5 мин, после чего по шкале смотрят результат. Такие термометры зарекомендовали себя отлично, но это самый опасный вид устройств, поскольку он содержит ртуть и сам выполнен из стекла. При неумелом обращении можно не просто пораниться, но и надышаться ртутью, что влечет серьезные проблемы с внутренними органами. Однако именно такие термометры не выдают погрешности при измерениях.
Бесконтактный термометр позволяет измерить температуру, не тревожа пациента
Замену ртутным составили электронные устройства, которые безопасны и компактны. Электронные термометры уже давно представлены на рынке продаж, но до сих пор не так популярны. Измерить показания можно тем же способом, что и ртутным, но придется сначала нажать кнопку очистки памяти устройства. После измерения цифры будут показаны на табло. Эти термометры легкие в обращении, доступны для перевозки и самостоятельного использования даже детьми. Но, имеют небольшие отклонения в измерениях, могут ошибаться от 0,1 до 0,3 градуса.
Бесконтактные инфракрасные термометры, относительно новый продукт, который широко вошел в обиход около 3-4 лет назад, но очень быстро обрел популярность. Методика измерения температуры тела инфракрасным пирометром проста и быстра, это главное преимущество такого прибора.
Принцип работы инфракрасного градусника
Чаще всего бесконтактные пирометры покупают молодые родители, для того, чтобы быстро измерить температуру тела ребенка или воды для купания малыша. Инфракрасные градусники выпускаются в форме пистолетов. Это наиболее оптимальная конструкция, которая не только удобна в руке, но и будет интересна ребенку, отвлечет его во время измерения.
Чтобы узнать температуру тела, достаточного двух движений: навести на участок тела бесконтактный прибор, и нажать кнопку. Лазерный луч сработает и оценит состояние пациента. Измерение происходит за счет излучения тепла от поверхности тела или предмета, а инфракрасный луч, отражаясь, фиксирует это излучения, преобразовывает и выдает на дисплей цифры. Мощность излучения и обуславливает показатели. Чем мощнее, тем температура тела выше. Измерять можно не только температуру тела, но и воды, жидкостей, и даже некоторых предметов, которые излучают тепло.
Типы инфракрасных термометров
На данный момент среди инфракрасных термометров для измерения температуры тела выделяют 3 вида:
бесконтактные;
ушные;
лобные.
Название аппаратов обусловлено способом измерения температуры тела.
Ушные помещают в ухо ребенка или взрослого, нажимают кнопку и получают результат. Такие аппараты способны показать правильные цифры и на височной доле, там, где расположена височная артерия. Однако, они опасны тем, что могут повредить ушко малыша, либо попросту не поместятся в отверстие.
Лобные считывают информацию на коже лба. Чем дороже модель, тем больше функций предусмотрено у аппарата. Это легкие, компактные и мобильные термометры.
Бесконтактные – самые популярные из-за ряда преимуществ. Измеряешь любой участок кожи, не дотрагиваясь до тела, и через секунду на дисплее будут отображены цифры. Это очень удобно, если пациент спит, тревожить его не придется, что очень актуально для маленьких детей.
Как пользоваться градусником?
Бесконтактные инфракрасные термометры удобны в обращении, за счет того, что система измерения температуры тела проста. Если изначально изучить инструкцию по применению, то в процессе точно не возникнет вопросов по пользованию, а еще и погрешность в измерениях будет минимальная.
Как правило, устройство имеет 2-3 кнопки.
Кнопка включения «оживит» аппарат, дисплей засветится, на нем будут указаны нули или норма, после чего термометр издает сигнал (если эта функция предусмотрена), что бесконтактный прибор готов к работе.
Кнопка выключения «усыпит» аппарат, что позволяет безопасно хранить его и экономить заряд батарейки. Есть модели бесконтактных градусников, у которых после 5 мин без каких-либо вмешательств автоматически происходит отключение.
Предусмотрена еще одна кнопка, активирующая инфракрасный луч, который считывает информацию о температуре измеряемой поверхности.
Если модель более дорогая, то будут еще кнопки, которые при изучении инструкции легко распознать. Есть бесконтактный градусники в форме пистолета, есть в форме палки. По величине и объему они разнообразны, на вес довольно легкие. За счет компактности и безопасности при перевозках инфракрасные термометры выигрывают перед другими видами градусников.
Преимущества бесконтактных термометров
В медицинских учреждениях все чаще стали пользоваться бесконтактными приборами, ввиду того, что нет необходимости каждому индивидуально выдавать такой градусник, и только после этого проводить диагностику. Термометры бесконтактные для измерения температуры тела позволяют обследовать за один раз много человек, сокращая время ожидания пациентов и упрощая работу врачу или медсестре.
Такие устройства обладают рядом положительных аспектов:
просты в обращении и применении, справится любой;
применять их можно как в медицинском учреждении, так и дома;
нет необходимости тревожить сон больного, чтобы оценить его состояние, так как пирометры бесконтактные;
безопасны, в составе нет ртути, опасных элементов, поэтому пользоваться ими самостоятельно может даже ребенок;
мгновенное получение цифр, на все уходит около 10 секунд;
измерить температуру можно в любом месте, что очень удобно при диагностике детей;
мобильность бесконтактного пирометра, ввиду очень маленьких размеров, удобна в поездках и на прогулках;
хорошо помещающаяся в руке форма, представляющая собой пистолет;
подсветка дисплея;
некоторые модели оснащены «интеллектом», способны запоминать предыдущий результат, голосовым оповещением, имеют мультимедийные вставки, они отвлекут малыша от процедуры звуковыми и световыми сигналами;
бесконтактный прибор работает от батареек.
Есть ли минусы у инфракрасных градусников?
Разработчики стараются то и дело совершенствовать приборы, но, как и у любого аппарата, у инфракрасного бесконтактного градусника есть свои недостатки:
главным минусом таких устройств, как и любой электроники, является погрешность данных – от 0,2 до 1 градуса, именно поэтому рекомендуют после первого измерения совершить второе, через пару мин;
повторное измерение следует проводить на этом же участке кожи, предварительно выключив и снова включив аппарат;
если элемент питания близок к разрядке, то точность измерений может нарушаться;
лобные и ушные термометры предстоит использовать лишь на той части тела, для которой они предназначены, иначе результат может быть ошибочным;
не следует двигаться во время процедуры, так как погрешность результата увеличивается;
ушной градусник искажает данные, если у пациента отит;
нельзя допускать перепадов температур перед измерением, то есть после прогулки, либо после водных процедур сразу измерять температуру не стоит, необходимо подождать не менее 25 мин;
ушные градусники могут не подойти грудным детям, так как имеют довольно большой наконечник, который не поместится в ухе, либо травмирует орган слуха малыша;
ушной термометр требует дополнительных расходов на одноразовые накладки;
цена инфракрасных градусников довольно высока.
Инфракрасный термометр удобен при измерении температуры у маленьких детей
На что стоит ориентироваться при выборе прибора?
Если вы решили приобрести инфракрасный термометр для домашнего пользования, стоит учитывать некоторые аспекты и цели его приобретения:
Кому чаще всего будет проводиться измерение? Если это ребенок, то оптимальным вариантом будет бесконтактный прибор, который обеспечивает быстроту результата, к тому же его можно использовать для диагностики даже спящего малыша.
Кем и где изготовлен аппарат? Доверять лучше производителю, который укрепил свои позиции на рынке и давно выпускает термометры. Малоизвестные фирмы могут допускать большую погрешность в показаниях.
Есть ли у аппарата гарантия, и на какой период производитель ее дает? Покупка не из дешевых, поэтому о гарантиях стоит позаботиться заранее.
Где покупать бесконтактный градусник? Лучшим место приобретения считается аптека, либо фирменный магазин производителя. Любые другие точки продаж могут реализовывать подделки.
Цена устройства. Инфракрасный термометр стоит относительно дорого, но в торговых точках разная наценка, поэтому есть смысл сравнивать цены в аптеках и на сайтах производителя.
Какие инфракрасные термометры самые надежные?
С течением времени потребители определили для себя наиболее выгодные, качественные и надежные градусники, в результате чего, на основании опросов и анкетирований образовался рейтинг лучших аппаратов.
Medisana FTN – градусник, пользующийся наибольшей популярностью, срабатывает за 2 сек, на расстоянии до 5 см от кожи. Измеряет температуру не только тела, но и жидкости или воздуха. Очень легкий и малогабаритный прибор, способный запомнить свыше 30 последних замеров.
B WELL WF-1000 – ушной инфракрасный термометр, дополнительно измеряющий температуру на висках. Быстрый и точный градусник, способный запомнить результаты последнего замера. Измерит температуру теплых предметов, воздуха, жидкостей, не погружаясь в них.
Sensitec NF 3101 – бесконтактный пирометр, измеряет температуру тела на любом участке кожи, определяет показатели жидкости, воздушного пространства. Способен запомнить более 30 последних замеров. Легкий аппарат, работает от батареек.
Garin IT-1 – бесконтактный градусник, измеряет по Цельсию и по Фаренгейту. Есть звуковой сигнал, предупреждает о слишком высокой температуре, срабатывает за 2 сек.
Testo 830-T2 – пирометр с лазерной указкой, минимальной погрешностью, широким диапазоном измерения температуры от -50 до +50 градусов. Срабатывает за 1 сек.
Thermoval Duo Scan – термометр с минимальной погрешностью, замеры делает за 3 сек. Очень простой в обращении, способен запоминать последнее измерение.
LAICA SA5900 – способен дать показания температуры тела на расстоянии 35 см от виска, обладает звуковыми эффектами, запоминает 30 последних измерений, у прибора большой жидкокристаллический дисплей.
Omron Gentle Temp 510 – ушной пирометр, замер делает за 1 сек. В комплекте чехол для хранения и сменные насадки для грудничков.
Объективную оценку и отзывы аппарату может дать лишь пользователь, который лично проверил градусник. В основном все термометры долговечны, но бывает, что система электроники выходит из строя, если устройство еще на гарантии – вам его заменят, если нет, то придется раскошелиться на новое.
Термометр инфракрасный для измерения температуры тела необходимая вещь в каждом доме, особенно в семьях, где есть маленький ребенок. На что обратить внимание, какому отдать предпочтение – решать пользователям, опираясь на свои потребности и финансовые возможности. Но стоит понимать, что именно безопасность и точность измерений должна стоять во главе. Ведь температура тела – важнейший фактор здоровья.
metod-diagnostiki.ru
Измерение температуры. Контактный и бесконтактный способы. Измерение тепловых потоков.
7.1. Измерение температуры.
Температура - это параметр теплового состояния, представляющий собой физическую величину, которая характеризует степень нагретости тела. Степень нагретости тела обусловлена его внутренней энергией. Непосредственно измерить температуру тела невозможно. Температура измеряется косвенным путем с использованием температурной зависимости какого-либо физического свойства термометрического тела. В качестве термометрического тела используются тела, у которых удобные для непосредственного измерения физические свойства однозначно зависят от температуры. Такими физическими свойствами являются, в частности, объемное расширение ртути, изменение давления газов и т.д.
При измерении температуры какого-либо тела термометрическое тело должно быть с ним в тепловом контакте. В этом случае с течением времени наступает тепловое равновесие между ними, т.е. температура этих тел выравнивается. Такой способ измерения температуры, при котором измеряемая температура тела определяется по совпадающей с ней температуре термометрического тела, называется контактным способом измерения температуры. Возможные расхождения между этими значениями температуры составляют методическую погрешность контактного способа измерения температуры.
В природе нет идеально подходящих рабочих тел, термометрические свойства которых удовлетворяли бы предъявляемым требованиям во всем диапазоне измерения температуры. Поэтому температуру, измеряемую термометром, шкала которого построена на допущении линейной температурной зависимости термометрических свойств какого-либо тела, называют условной температурой, а шкалу - условной температурной шкалой. Примером условной температурной шкалы является известная стоградусная шкала Цельсия. В ней принят линейный закон температурного расширения ртути, а в качестве основных точек шкалы используются точка таяния льда (0°С) и точка кипения воды (100°С) при нормальном давлении. Термодинамическая температурная шкала, предложенная Кельвином, основана на втором законе термодинамики и не зависит от термометрических свойств тела. Построение шкалы опирается на следующие положения термодинамики: если в прямом обратимом цикле Карно к рабочему телу подводится теплота Q1 от источника с высокой температурой T1 и отводится теплота Q2 к источнику с низкой температурой Т2, то отношение T1/ Т2 равно отношению Q1/Q2 независимо от природы рабочего тела. Эта зависимость позволяет построить шкалу, опираясь только на одну постоянную или реперную точку с температурой Т0. Пусть температура источников теплоты Т2=Т0, a T1=T, причем Т неизвестна. Если между этими источниками осуществить прямой обратимый цикл Карно и измерить количество подводимой Q1 и отводимой Q2 теплоты, то неизвестную температуру можно определить по формуле
Таким способом можно произвести градуирование всей температурной шкалы.
В качестве единственной реперной точки для Международной термодинамической температурной шкалы принята тройная точка воды, и ей присвоено значение температуры 273,16 К. Выбор этой точки объясняется тем, что она может быть воспроизведена с высокой точностью - погрешность не превысит 0,0001 К, что значительно меньше погрешности воспроизведения точек таяния льда и кипения воды. Кельвином называется единица термодинамической температурной шкалы, определяемая как 1/273,16 часть температурного интервала между тройной точкой воды и абсолютным нулем. Такой выбор единицы обеспечивает равенство единиц в термодинамической и стоградусной шкалах: температурный интервал в 1К равен интервалу в 1°С.
Ввиду того, что определение температуры путем осуществления прямого обратимого цикла Карно с измерением подводимой и отводимой теплоты сложно и затруднительно, для практических целей на основе термодинамической температурной шкалы установлена Международная практическая температурная шкала МПТШ-68 (1968 - год принятия шкалы). Эта шкала устанавливает температуру в диапазоне от 13,81 К до 6300 К и максимально приближена к Международной термодинамической температурной шкале. Методика ее реализации базируется на основных реперных точках и на эталонных приборах, градуированных по этим точкам. МПТШ- 68 опирается на 11 основных реперных точек, представляющих собой оп-ределенное состояние фазового равновесия некоторых веществ, которым присвоено точное значение температуры.
7.1.1. Контактное измерение температуры.
По принципу действия контактные термометры делятся на:
1.Термометры, основанные на тепловом расширении вещества. Используются с термометрическим телом в жидком состоянии (например, ртутные жидко-стеклянные термометры) и в твердом состоянии - биметаллические, действие которых основано на различии коэффициентов линейного теплового расширения двух материалов (например, инвар -латунь, инвар - сталь).
2. Термометры, основанные на измерении давления вещества.
Это манометрические термометры, которые представляют собой замкнутую герметичную термосистему, состоящую из термобаллона, манометрической пружины и соединяющего их капилляра.
Действие термометра основано на температурной зависимости давления газа (например, азота) или паров жидкости, заполняющих герметичную термосистему. Изменение температуры термобаллона вызывает перемещение пружины, соответствующее измеряемой температуре. Манометрические термометры выпускаются как технические приборы для измерения температуры от -150°С до +600°С в зависимости от природы термометрического вещества.
3. Термометры, основанные на температурной зависимости термо-ЭДС. К ним относятся термоэлектрические термометры или термопары.
4.Термометры, основанные на температурной зависимости электрического сопротивления вещества. К ним относятся электрические термометры сопротивления.
Жидкостный стеклянный термометр представляет собой тонкостенный стеклянный резервуар, соединенный с капилляром, с которым жестко связана температурная писала. В резервуар с капилляром заливается термометрическая жидкость, на температурной зависимости теплового расширения которой основано действие термометра. В качестве термометрической жидкости используется ртуть и некоторые органические жидкости - толуол, этиловый спирт, керосин.
Достоинствами жидкостных стеклянных термометров являются простота конструкции и обращения; низкая стоимость, достаточно высокая точность измерения. Эти термометры применяются для измерения температуры от минус 200°С до плюс 750°С.
Недостатками жидкостных стеклянных термометров являются большая тепловая инерция, невозможность наблюдения и измерения температуры на расстоянии, хрупкость стеклянного резервуара.
Термоэлектрический термометр основан на температурной зависимости контактных термо-ЭДС в цепи из двух разнородных термоэлектродов. При этом происходит преобразование неэлектрической величины-температуры в электрический сигнал - ЭДС. Термоэлектрические термометры часто называют просто термопарами. Термоэлектрические термометры широко применяют в диапазоне температуры от -200°С до +2500°С, но в области низких температур (менее -50°С) они получили меньшее распространение, чем электрические термометры сопротивления. При температуре выше 1300°С термоэлектрические термометры применяют в основном для кратковременных измерений. Достоинствами термоэлектрических термометров являются возможность измерения температуры с достаточной точностью в отдельных точках тела, малая тепловая инерция, достаточная простота изготовления в лабораторных условиях, выходной сигнал является электрическим.
В настоящее время для измерения температур используются следующие термопары:
-вольфрам-вольфрамрениевые (ВР5/20) до 2400...2500К;
-платино-платинородиевые (Pt/PtRh) до 1800... 1900 К;
-хромель-алюмелевые (ХА) до 1600.. .1700 К;
-хромель-копелевые (ХК) до 1100 К.
При подключении измерительного прибора к термопарной цепи возможны 2 схемы:
1) с разрывом одного из термоэлектродных проводов;
2) с разрывом холодного спая термопары.
Для измерения малой разности температуры часто используется термобатарея, состоящая из нескольких последовательно соединенных термопар. Такая термобатарея позволяет повысить точность измерения в результате увеличения выходного сигнала во столько раз, сколько термопар в термобатарее.
Термо-ЭДС в термопарной цепи можно измерить милливольтметром по методу непосредственной оценки и потенциометром по методу сравнения.
Электрические термометры сопротивления основаны на температурной зависимости электрического сопротивления термометрического вещества и широко применяются для измерения температуры от -260°С до +750°С, а в отдельных случаях до +1000°С. Чувствительным элементом термометра является терморезисторный преобразователь, который позволяет преобразовать изменение температуры (неэлектрической величины) в изменение сопротивления (электрической величины). Терморезистором может служить любой проводник с известной температурной зависимостью сопротивления. В качестве материала для терморезистора используют такие металлы как, платина, медь, никель, железо, вольфрам, молибден. Кроме них, в термометрах сопротивления могут быть использованы некоторые полупроводниковые материалы.
Достоинствами металлических термометров сопротивления являются высокая степень точности измерения температуры, возможность применения стандартной градуировочной шкалы во всем диапазоне измерения, электрическая форма выходного сигнала.
Чистая платина, для которой отношение сопротивления при 100°С к сопротивлению при 0°С составляет 1,3925, в наибольшей степени удовлетворяет основным требованиям по химической стойкости, стабильности и воспроизводимости физических свойств и занимает особое место в терморезисторах для измерения температуры. Платиновые термометры сопротивления используются для интерполяции Международной температурной шкалы в диапазоне от -259,34°С до +630,74°С. В этом диапазоне температур платиновый термометр сопротивления превосходит по точности измерения термоэлектрический термометр.
Недостатками термометров сопротивления являются невозможность измерения температуры в отдельной точке тела из-за значительных размеров его чувствительного элемента, необходимость постороннего источника электропитания для измерения электрического сопротивления, малое значение температурного коэффициента электрического сопротивления для металлических термометров сопротивления, которое требует для измерения небольших изменений сопротивления высокочувствительные и точные приборы.
7.1.2. Бесконтактное измерение температур с помощью пирометров излучения.
Пирометрами излучения или просто пирометрами называют приборы для измерения температуры тел по тепловому излучению. Измерение температуры тел пирометрами основано на использовании законов и свойств теплового излучения. Особенностью методов пирометрии является то, что информация об измеряемой температуре передается неконтактным способом. Ввиду этого удается избежать искажений температурного поля объекта измерений, так как не требуется непосредственного соприкосновения термоприемника с телом.
По принципу действия пирометры для локального измерения температуры делят на яркостные пирометры, цветовые пирометры, радиационные пирометры.
Основной величиной, воспринимаемой глазом исследователя или приемниками теплового излучения пирометров, является интенсивность или яркость излучения тела. Действие яркостных пирометров основано на использовании зависимости спектральной интенсивности излучения тела от температуры тела. Яркостные пирометры, используемые в видимой части спектра излучения, с регистрацией сигнала при помощи глаз исследователя, называются оптическими пирометрами. Оптические пирометры являются наиболее простыми в обслуживании и широко применяются для измерения температуры от 700°С до 6000°С.
Для измерения яркостной температуры в видимой части спектра широко используются оптические пирометры с исчезающей нитью переменного и постоянного накала. Яркостная температура тела измеряется путем сравнения спектральной интенсивности излучения измеряемого тела с интенсивностью излучения нити пирометрической лампы при одной и той же эффективной длине волны (эффективная длина волны находится внутри узкого конечного интервала длин волн, в котором происходит излучение тела). При этом яркостная температура нити лампы устанавливается градуировкой по абсолютно черному телу или по специальной температурной лампе.
Оптическая система пирометра позволяет создать изображение объекта измерения в плоскости нити пирометрической лампы. В момент достижения равенства спектральных интенсивностей излучения объекта измерения и нити лампы вершина нити исчезает на фоне свечения тела.
Принцип действия цветовых пирометров основан на использовании зависимости отношения интенсивностей излучения, измеренных в двух достаточно узких спектральных интервалах , от температуры излучающего тела. Название «цветовые пирометры» происходит из-за того, что в видимой части спектра изменение длины волны при фиксированной температуре тела сопровождается изменением его цвета. Цветовые пирометры применяются для автоматического измерения температур в диапазоне 700°С - 2880°С. Цветовые пирометры имеют более низкую чувствительность, чем яркостные, в особенности при высокой температуре, но при использовании цветовых пирометров поправки на температуру, связанные с отличием свойств реальных тел от свойств абсолютно черного тела, получаются меньшими, чем при использовании других пирометров.
Радиационные пирометры - это приборы для измерения температуры по интегральной интенсивности (яркости) излучения тела. Они используются для измерения температуры от 20°С до 3500°С. Эти приборы имеют меньшую чувствительность, чем яркостные и цветовые, но измерения радиационными методами технически более простые.
Радиационные пирометры состоят из телескопа, приемника интегрального излучения, вторичного прибора и вспомогательных устройств. Оптическая система телескопа концентрирует энергию излучения тела на приемник интегрального излучения, степень нагрева которого, т.е. температура, а, следовательно, и выходной сигнал пропорциональны падающей энергии излучения и определяют радиационную температуру тела. В качестве приемника излучения (чувствительного элемента) чаще всего используют термобатареи из нескольких последовательно соединенных термопар. Наряду с термобатареями в качестве приемников интегрального излучения могут быть использованы и другие теплочувствигельные элементы, например болометры, в которых излучение от объекта измерения нагревает чувствительный к температуре резистор. Изменение температуры резистора служит мерой радиационной температуры.
В качестве вторичных приборов, регистрирующих сигнал приемника излучения, используют показывающие самопишущие и регистрирующие приборы. Шкала вторичных приборов обычно градуируется в градусах радиационной температуры. Для исключения погрешностей, обусловленных нагревом корпуса пирометра (телескопа) из-за теплообмена его с окружающей средой и в результате поглощения излучения от объекта измерения. Телескопы радиационных пирометров могут быть снабжены различными системами температурной компенсации.
7.2. Измерение тепловых потоков.
Измерение тепловых потоков необходимо при исследовании рабочих процессов машин и аппаратов, при определении тепловых потерь и исследовании условий теплообмена поверхностей с потоками газа или жидкости.
Методы измерения тепловых потоков и реализующие их устройства чрезвычайно разнообразны. По принципу измерения теплового потока все методы можно разделить на 2 группы.
1. Энтальпийные методы.
С помощью энтальпийных методов плотность теплового потока определяется по изменению энтальпии воспринимающего тепло тела. В зависимости от способа фиксирования этого изменения энтальпийные методы подразделяются на калориметрический метод, электрометрический метод, метод, использующий энергию изменения агрегатного состояния вещества.
2. Методы, основанные на решении прямой задачи теплопроводности.
Прямая задача теплопроводности заключается в отыскании температуры тела, удовлетворяющей дифференциальному уравнению теплопроводности и условиям однозначности. В этих методах плотность теплового потока определяется по градиенту температуры на поверхности тела. Среди методов этой группы различают метод вспомогательной стенки, теплометрический метод с использованием поперечной составляющей потока, градиентный метод.
Методы, основанные на решении прямой задачи теплопроводности основаны на определении плотности теплового потока, пронизывающего исследуемый объект. Этот метод реализован на практике использованием батарейных термоэлектрических преобразователей теплового потока в электрический сигнал постоянного тока. Действие основано на использовании физической закономерности установления разности температур на стенке при пронизывании ее тепловым потоком. Оригинальность батарейного преобразователя теплового потока состоит в том, что стенка, на которой создается разность температур, и измеритель этой разности объединены в одном элементе. Это достигается за счет того, что преобразователь выполнен в виде так называемой вспомогательной стенки, состоящий из батареи дифференциальных термопар, которые включены параллельно по измеряемому тепловому потоку и последовательно по генерируемому электрическому сигналу.
Батарея термоэлементов изготовляется по гальванической технологии. Единичный гальванический термоэлемент представляет собой комбинацию восходящей и нисходящей ветвей термопар, причем, восходящая ветвь – основной проводник, а нисходящая – гальванически покрытый парным термоэлектродным материалом участок этого же проводника. Пространство между ними заполнено электроизоляционным компаундом. Конструктивно преобразователь состоит из корпуса, внутри которого при помощи компаунда крепится батарея термоэлементов и отводящие проводники, выведенные из корпуса через два отверстия.
Такие батарейные преобразователи могут быть использованы в качестве высокочувствительных теплометрических элементов (тепломеров) при различных тепловых измерениях.
Похожие статьи:
poznayka.org
1.6. Бесконтактное измерение температуры Основные понятия и законы излучения
О температуре нагретого тела можно судить на основании измерения параметров его теплового излучения, представляющего собой электромагнитные волны различной длины. Чем выше температура тела, тем больше энергии оно излучает.
Термометры, действие которых основано на измерении теплового излучения, называют пирометрами. Они позволяют контролировать температуру от 100 до 6000 0С и выше. Одним из главных достоинств данных устройств является отсутствие влияния измерителя на температурное поле нагретого тела, так как в процессе измерения они не вступают в непосредственный контакт друг с другом. Поэтому данные методы получили название бесконтактных.
На основании законов излучения разработаны пирометры следующих типов:
пирометр суммарного излучения (ПСИ) – измеряется полная энергия излучения;
пирометр частичного излучения (ПЧИ) – измеряется энергия в ограниченном фильтром (или приемником) участки спектра;
пирометры спектрального отношения (ПСО) – измеряется отношение энергии фиксированных участков спектра.
В зависимости от типа пирометра различаются радиационная, яркостная, цветовая температуры.
Радиационной температурой реального тела Трназывают температуру, при которой полная мощность АЧТ равна полной энергии излучения данного тела при действительной температуре Тд.
Яркостной температурой реального тела Тяназывают температуру, при которой плотность потока спектрального излучения АЧТ равна плотности потока спектрального излучения реального тела для той же длины волны (или узкого интервала спектра) при действительной температуре Тд.
Цветовой температурой реального тела Тцназывают температуру, при которой отношения плотностей потоков излучения АЧТ для двух длин волниравно отношению плотностей потоков излучений реального тела для тех же длин волн при действительной температуре Тд.
Пирометры частичного излучения
К данному типу пирометров, измеряющих яркостную температуру объекта, относятся монохроматические оптические пирометры и фотоэлектрические пирометры, измеряющие энергию потока в узком диапазоне длин волн.
Оптические пирометры
Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости плотности потока монохроматического излучения от температуры. На (рис. 11) представлена схема оптического пирометра с "исчезающей" нитью, принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и градуированного источника излучения в определенной длине волны.
Изображения излучателя 1 линзой 2 и диафрагмой 4 объектива пирометра фокусируется в плоскости нити накаливания лампы 5. Оператор через диафрагму 6 линзу 8 окуляра и красный светофильтр 7 на фоне раскаленного тела видит нить лампы. Перемещая движок реостата 11, оператор изменяет силу тока, проходящего через лампу, и добивается уравнивания яркости нити и яркости излучателя. Если яркость нити меньше яркости тела, то она на его фоне выглядит черной полоской, при большей температуре нити она будет выглядеть, как светлая дуга на более темном фоне. При равенстве яркости излучателя и нити последняя "исчезает" из поя зрения оператора. Этот момент свидетельствует о равенстве яркостных температур объекта измерения и нити лампы. Питание лампы осуществляется с помощью батареи 10. Прибор 9, фиксирующий силу тока, протекающего в измерительной цепи, заранее проградуирован в значениях зависимости между силой тока и яркостной температурой АЧТ, что позволяет производить считывание результата в 0С.
Данный тип пирометров позволяет измерять температуру от 700 до 8000 0С. Для оптических пирометров промышленного применения в интервале температур 120020000С основная допустимая погрешность измерения составляет200С. На точность измерения влияют неопределенность и изменяемость спектральной степени черноты, возможное изменение интенсивности излучения за счет ослабления в промежуточной среде, а так же за счет отражения посторонних лучей.
Пирометр – это прибор для контроля нагрева объектов бесконтактным (удалённым) способом. Пирометры для измерения температуры бесконтактным методом начали выпускать ещё в шестидесятых годах прошлого века.
В любом физическом объекте осуществляется перемещение частиц атомов и сопровождается образованием электромагнитных волн. Температура напрямую оказывает действие на интенсивность протекания процессов, по состоянию интенсивности можно определить количество выделяемого тепла. Это и есть основа бесконтактных измерений температуры.
сам наблюдаемый участок своей структурой и состоянием воздействует определённым образом на плотность инфракрасного излучения и, как следствие, на отображение температуры.
пирометром измеряют среднюю температуру наблюдаемого участка;
Но нет, чтобы получить точный результат, надо ещё и обратить внимание на условия видимости точки замера и прозрачности воздуха, а также правильно установить место стоянки при измерении – оно определяется оптическими параметрами аппарата. Мало правильно навести пирометр на участок замера, необходимо ещё и выбрать расстояние для установления площади измеряемого участка. Тогда оптика будет работать с тепловым излучением только от нужного участка, без помех от излучений близлежащих устройств.
одиночный круговой лазерный луч – с его помощью можно оконтурить участок замера, но, как и просто одиночный лазерный луч, он подвержен параллаксу и искажает показания аппарата на небольших расстояниях в сторону увеличения;
Но в некоторых случаях на электрооборудовании можно контролировать нагрев без использования дорогостоящих пирометров, а установить стационарно измерители более простой конструкции. Например, измерение нагрева обмотки возбуждения на вращающемся роторе генератора – датчик температуры — термометр устанавливают в ближней зоне контроля, где он и принимает тепловое излучение. Сигнал, преобразованный внутренней платой, поступает на прибор отображения показателей в виде стрелки и шкалы значений. Такие схемы просты и надёжны.
