1. Измерение температуры

Оценка теплового состояния конструкций радиоэлектронных средств может осуществляться контактными и бесконтактными методами [7,8,21]. Бесконтактные методы измерения основаны на регистрации теплового излучения. При регистрации излучения с поверхности тел из непрозрачных материалов может быть получена информация о величине температуры на этой поверхности. Если же регистрируется излучение из полупрозрачных сред, в качестве которых могут считаться большинство диэлектриков и полупроводников, может быть получена информация о распределении температуры в объеме тела, например, в кристаллах полупроводниковых приборов. При измерениях используют сложное пирометрическое оборудование и соответствующее программное обеспечение. Бесконтактные методы измерения используются в основном при разработке изделий электронной техники.

Контактныеизмерения можно считать основным методом получения информации о тепловом режиме изделий РЭС. При этих измерениях используют датчики температуры, находящиеся в непосредственном контакте на поверхности изделия или в жидкой или газовой среде, например, в потоке теплоносителя системы охлаждения. При контактных измерениях температуры обычно можно использовать жидкостные и манометрические термометры, термопары, термометры сопротивления, а также индикаторы типа термокрасок, жидких кристаллов и т.п.

Жидкостные стеклянные термометрыиспользуют для измерения температуры в интервале 200…1000 К, они дешевы и просты в эксплуатации. Термометры состоят из резервуара с припаянной к нему капиллярной трубкой. Капилляр снабжен шкалой с делениями в градусах Цельсия по Международной практической температурной шкале. Термометрическая жидкость заполняет резервуар и часть капиллярной трубки.

Действие жидкостных термометров основано на тепловом расширении термометрической жидкости, заключенной в резервуаре. При изменении температуры вследствие изменения объема жидкости мениск жидкостного столбика в капилляре поднимается или опускается на величину, пропорциональную изменению температуры.

В зависимости от предела измерения температур для заполнения термометров применяют жидкости, приведенные в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Жидкость	Предел измерения температуры, ^ОС
	от	до
Ртуть	-35	750
Толуол	-90	200
Этиловый спирт	-80	70
Керосин	-60	300
Петролейный эфир	-120	25
Пентан	-200	20

Наибольшее распространение получили ртутные термометры, так как ртуть не смачивает стекло, ее сравнительно легко получить в химически чистом виде (она остается жидкой в широком интервале температур). Недостаток ртути - малый коэффициент объемного расширения, что определяет необходимость изготовления термометров с тонкими капиллярами. Нижний предел измерения ограничивается температурой затвердевания ртути и равен -35 ^ОС. Верхний предел измерения ртутными термометрами определяется допустимыми температурами для стекла: 600^ОС для образцовых термометров и 500^ОС для технических. При замене стекла кварцем верхний предел измерения несколько увеличивается. Предел измерения для ртутных термометров, в которых над ртутью удален воздух, составляет 300^ОС, так как при 357^ОС ртуть кипит. Для того, чтобы повысить температуру кипения ртути, пространство в капилляре над ртутью заполняют инертным газом под давлением, в результате чего верхний предел измерения увеличивается.

Термометры с органическими жидкостями предназначаются в основном для измерения низких температур в пределах от -200 до +200 ^ОС. Основным достоинством их является высокий коэффициент объемного расширения жидкости, в среднем почти в 6 раз больший, чем у ртути. Недостаток этих термометров - смачивание органическими жидкостями стекла, в результате чего точность измерения понижается. Поэтому необходимо применение капилляров с относительно большим диаметром.

Достоинства стеклянных жидкостных термометров - простота употребления и достаточно высокая точность измерения.

Недостатки - малая механическая прочность (хрупкие); плохая видимость шкалы и трудность отсчета, невозможность автоматической записи показаний и передачи их на расстояние; невозможность ремонта; большая инерционность; плохая видимость ртути в капилляре. Поэтому стеклянные жидкостные термометры применяют в основном для местного контроля и лабораторных измерений. В зависимости от назначения и области применения стеклянные жидкостные термометры подразделяют на лабораторные и технические.

Лабораторные жидкостные термометрыпредназначены для измерения температуры в лабораторных условиях (рис. 1.1а). Ртутные стеклянные лабораторные термометры по конструкции делятся на два типа:палочный, состоящий из массивной капиллярной трубки, на внешней поверхности которой нанесена шкала, ис вложенной шкальной пластиной, заключенной внутри оболочки термометра

Рис. 1.1. Стеклянные жидкостные термометры:

а - лабораторные, б - технические термометры

При измерении температуры лабораторные термометры погружают на глубину, обозначенную на термометре, если глубина погружения на термометре не указана, то термометр погружают в измеряемую среду до отсчитываемого деления.

Большинство лабораторных термометров изготовляют с безнулевой шкалой, т.е. начинающиеся не с отметки 0 ^ОС, которую наносят внизу на небольшой дополнительной шкале, предназначенной только для проверки прибора, а с более высокой температуры. В промежутке между нулевым делением и началом шкалы капиллярная трубка (капилляр) имеет расширение, в которое входит объем ртути, соответствующий изменению температуры от нуля до начального значения шкалы. Иногда расширение капилляра выполняют и выше основной шкалы, что предохраняет капилляр от разрыва в случае нагрева выше верхнего предела температуры.

Технические термометры(рис. 1.1б) предназначены для измерения температуры в промышленных установках и могут быть заполнены ртутью или органическими жидкостями.

Ртутные технические термометры применяют для измерения температуры от -30 до +600 ^ОС, а термометры с органическими жидкостями - от -200 до +200^ОС. В зависимости от формы нижней части технические термометры подразделяют на прямые (П) и угловые (У).

С учетом условий эксплуатации ртутные технические термометры изготовляют для полного погружения, а термометры с органическими жидкостями - для полного и частичного погружения.

Технические термометры имеют разнообразную форму в зависимости от их назначения. Для электрической сигнализации и регулирования температуры используют технические электроконтактные термометры.

Технические электроконтактные термометры применяют для сигнализации и регулирования температуры в интервале от -30 до +300 ^ОС. Эти термометры изготовляют с заданной температурой контактирования (ТЗК) или с подвижным контактом (ТПК). Они могут иметь вложенную шкалу и прямую или угловую форму. Технические электроконтактные термометры могут работать в цепях переменного и постоянного тока. Определение действительного значения температуры контактирования и контроль за правильностью сигнализации и регулирования температуры осуществляют по контрольному термометру.

Замыкание (размыкание) электрической цепи между контактами в контактных термометрах происходит вследствие расширения (сжатия) ртути при нагревании (охлаждении) нижней части термометра. При применении электроконтактного термометра нижняя часть его должна полностью погружаться в измеряемую среду. Допускаемая погрешность показаний термометра не должна превышать цены наименьшего деления.

Термометры типа ТЗКвыпускают с постоянными впаянными в капилляр металлическими контактами, к которым припаяны медные провода, присоединенные к зажимам. Термометры могут иметь одну, две или три точки контактирования. Контакты впаивают в капилляр термометра в местах, соответствующих определенным значениям температуры контактирования. Минимальные интервалы между двумя соседними контактами обычно составляют не менее 5, 10, 20 и 30^ОС для температуры контактирования соответственно до 50, 100, 200 и 300^ОС.

Термометры типа ТПКимеют один неподвижный контакт, соединенный с термометрической жидкостью и один подвижный, соединенный с гайкой, закрепленной на механизме перемещения контакта. Регулировка положения подвижного контакта осуществляется внешним магнитом.

Манометрические термометры предназначены для измерения температуры жидких и газовых сред в интервале 160…1300 К. Такие термометры имеют замкнутую систему, состоящую из термобаллона, манометрической пружины и соединительного капилляра. При нагревании термобаллона в нем увеличивается давление газа или жидкости, которое передается по капилляру на манометрическую пружину, а упругая деформация последней через передаточный механизм вызывает отклонение стрелки на шкале прибора. Термобаллон заполняется газом (например, азотом), жидкостью (преимущественно ртутью, иногда метиловым спиртом, толуолом) или жидкостью с низкой температурой кипения (например, хлористым этилом). Вследствие этого термобаллон частично заполнен жидкостью, а частично - насыщенным паром этой жидкости. Измерительная часть манометрического термометра состоит из одновитковой, спиральной или винтовой трубчатой пружины, передаточного механизма и стрелки. Манометрические термометры имеют достаточно высокую погрешность, однако они надежны и просты в эксплуатации. Есть конструкции с сигнальным датчиком, что позволяет его использовать в устройствах термостабилизации.

Термопары имеют наибольшее применение среди контактных термоприемников при теплофизических измерениях в области температур 4…1200 К. Они обеспечивают достаточно высокую точность измерений, в отдельных областях обладают близкими к линейным характеристиками, имеют малые размеры, удобны в монтаже и взаимозаменяемы, обладают стабильными во времени характеристиками и достаточной механической прочностью.

Термопара представляет собой соединение двух разнородных проводников путем сварки, скручивания с последующим механическим закреплением проводников на поверхности объекта измерений. К свободным концам термопары подсоединяется измерительный прибор (рис. 1.2,а).

Рис. 1.2. Термопара: а - обычная, б - дифференциальная

Измерительный прибор зафиксирует появление электрического потенциала, если . Этот потенциал, называемый термоэлектродвижущей силой (термоэдс), зависит от разности температури природы материалов проводников:, где- коэффициент термоэдс. Коэффициент термоэдсв первую очередь зависит от материала проводников, но зависит также и от интервала температур, в котором работает термопара, в некоторых случаях этот коэффициент может менять знак. В табл. 1.2 приведены значения термоэдс для некоторых материалов.

Таблица 1.2

Наименование электрода	Термоэдс отно-сительно пла-тины, мкВ/К	Предельная рабочая тем-пература, °С
Алюмель	-(10,2…13,8)	1300
Хромель	+(27,1…31,3)	1300
Медь	+7,5	650
Манганин	+8,0	650
Константан	-35,0	600
Нихром	+(15…25)	1000
Платина «Экстра»	0,00	1600
Платинородий (для ПП)	+6,4	1600

Термоэдс разомкнутых концов термопары будет определяться алгебраической суммой термоэдс каждого проводника. Если концы соединительных проводников между измерительным прибором и концами термопары находятся при одинаковой температуре, то измеряемая термоэдс не будет искажаться, так как термоэдс каждой пары соединительных проводников будет равна нулю.

Измерительный прибор зафиксирует перепад температур , измеряемая температурабудет равна. Изменение температуры концов термопары,может искажать измерения, поэтому часто применяют дифференциальные термопары (рис. 1.2б), у которых спай дополнительной термопары термостатируется, например, помещается в сосуд со льдом.

Термопары из благородных металлов, обладая устойчивостью к высоким температурам и агрессивным средам, а также постоянной термоэдс, широко используют для замера высоких температур в промышленных и лабораторных условиях.

Термопары из неблагородных металлов и сплавов применяют для измерения температур до 1000 ^ОС. Достоинством этих термопар является сравнительно небольшая стоимость и способность их развивать большие термоэдс.

При выборе пар проводников для термопар стремятся, чтобы под влиянием температуры термоэдс пары изменялась монотонно и достаточно сильно. Рассмотрим наиболее распространенные пары материалов, используемых для изготовления термопар.

Медно-константановая термопара имеет почти линейную зависимость термоэдс от температуры, при перегреве 100 ^ОС термоэдс равна примерно 4 мВ; применяется для измерения температур от -250 до +500 ^ОС, если медный электрод защищен от окисления.

Хромель-алюмелевая термопара имеет почти линейную зависимость термоэдс от температуры, на каждые 100 ^ОСее термоэдс меняется на 4,1 мВ; продолжительно может эксплуатироваться вплоть до +1100^ОС.

Хромель-копелевая термопара дает термоэдс около 7,5 мВ на каждые 100 ^ОСи достигает 66,4 мВ при верхнем пределе температуры +800^ОС.

Платино-платиноиридиевая термопара применяется в диапазоне температур от -20 до +1600 ^ОС, причем длительно может эксплуатироваться при температуре +1300 ^ОС. При работе в окислительной или нейтральной среде обладает высоким постоянством термоэдс по сравнению с термопарами из неблагородных металлов.

Широко используются и другие пары материалов для работы в области высоких температур (свыше +1300 ^ОС); описание их можно найти в специальной литературе.

Практическое использование термопар возможно с использованием операционных усилителей и цифро-аналоговых преобразователей.

Термопреобразователи сопротивлений (терморезисторы) применяют для измерения температур в пределах от -260 до +750 ^ОС. Рабочим органом термопреобразователя является чувствительный элемент, выполненный из платиновой или медной проволоки. Используются также полупроводниковые преобразователи.

Чувствительность терморезисторов определяется температурным коэффициентом сопротивления материала, из которого сделан терморезистор, т.е. относительным изменением сопротивления чувствительного элемента термопреобразователя при нагревании его на 1 ^ОС.

Изготавливают терморезисторы из чистых металлов (платина, медь, железо), из полупроводниковых материалов. Температурный коэффициент сопротивления для металлов имеет величину, для полупроводниковых материалов.

На рис. 1.3 приведена характеристика термопреобразователя сопротивления, используемого в составе компьютеров. Для визуального измерения температуры необходимо использовать мостовые схемы со стабилизированным источником питания. При использовании микропроцессоров информацию с терморезисторов можно передавать в цифровой форме на устройства управления и контроля.

Рис. 1.3. Характеристика термопреобразователя сопротивления

Для контроля температуры элементов в труднодоступных местах используют индикаторы на основе жидкокристаллических термореактивных красок. Такие краски наносятся на поверхность ЭРЭ в виде отдельных точек. Пленки на основе этих красок при превышении температуры (у каждой краски своя) необратимо меняют свой цвет. Если нанести несколько точек на поверхность ЭРЭ разными красками, то после температурных испытаний по изменению их цвета можно получить информацию о температуре на поверхности этих ЭРЭ.

Погрешности измерения температур. Все контактные теплоприемники (термопары, термометры сопротивления и т.п.) измеряют не температуру среды, поверхности тела или части его объема, а свою собственную температуру. Задача экспериментатора состоит в том, чтобы создать такие условия измерения, при которых температура чувствительного элемента не отличалась бы от измеряемой температуры среды или тела в пределах требуемой точности измерений. Решение этой задачи не всегда возможно, тогда показания теплоприемника нуждаются во введении поправок. Инструментальные погрешности измерительного комплекса достаточно изучены, и их значения приводятся в соответствующей технической документации. Более сложной является задача учета систематических погрешностей, возникающих из-за возмущения температурного поля среды, вносимого теплоприемником. Ниже рассмотрены систематические погрешности теплоприемника при измерении поверхностных температур.

Некоторые способы монтажа теплоприемника на поверхности тела показаны на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Способы монтажа теплоприемников

Погрешность измерения стационарной поверхностной температуры связана с нарушением первоначально существующего распределения температур в исследуемом объекте. Для уменьшения погрешности измерения поверхностных температур стремятся использовать теплоприемник малого размера, избегать монтажа, приведенного на рис. 1.4,а. Располагать сам приемник и выводы следует в изотермической зоне на поверхности тела (рис. 1.4,б). Наименьшие погрешности при многократных измерениях температуры вносят термопары.

Если приглядеться к временному графику изменения температуры (рис. 1.5), можно выявить некоторые закономерности. После включения питания РЭС температура ЭРЭ увеличивается, при этом растет интенсивность теплообмена с окружающей средой. Начиная с момента времени устанавливается баланс подводимой и отдаваемой мощности и далее температура не изменяется. С этого момента наступает стационарный режим. Соответственно режим в интервале времени 0…называется нестационарным. Нестационарный режим на практике будет наблюдаться в аппаратуре непосредственно после включения (переходные процессы), а также в аппаратуре, работающей в импульсном режиме.

Рис. 1.5. Изменение температуры элементов во времени

Тепловые расчеты РЭС проводятся в основном для стационарных режимов с использованием соответствующих тепловых моделей.