8 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.

Радиоволны

10^-1 10^-2 10^-4 10^-6 10^-8 10^-10 10^-12 10^-14 Рисунок 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].

Измерение температурных полей тепловизорами

Тепловизоры представляют собой разновидность пирометров и предназначены для измерения температур, соответствующих инфракрасной части спектра оптического излучения в диапазоне примерно от -50 до 3000 град.С. Конструктивно они состоят из оптической термочувствительной камеры и устройств преобразования и обработки информации. Камера представляет собой многоэлементный приемник излучения – линейчатый или матричный со сканирующим устройством. В качестве чувствительных элементов приемника могут использоваться фотоэлементы на основе полупроводниковых структур. Линзы приемных камер изготавливаются из полупроводников (германий, кремний) и других материалов, способных пропускать инфракрасное излучение. Тепловизоры позволяют осуществлять контроль, измерения и визуализацию температурных полей, а в сочетании с ЭВМ – выполнять цифровую обработку информации. Круг областей их применения очень широк (медицина, микроэлектронное производство, металлургия, космические исследования и др.) [1].

а)

б)

а – схема; б – блок-схема сигналов. 1 – объект измерений; 2 - фокусирующая линза; 3 – колеблющееся зеркало; 4 – электромагнитный вибратор; 5 – амперметр; 6 – зеленый светофильтр; 7 – красный светофильтр; 8 - оптический клин; 9 – усилитель; 10 – фотоприемник.

Рисунок 25 – Схема автоматического цветового пирометра

Радиационные пирометры

Пирометры суммарного излучения (ПСИ) измеряют радиационную темпера­туру тела, поэтому их часто называют радиационными. Принцип действия данных измерителей температуры основан на использовании закона Стефана-Больцмана. Однако в случае применения оптических систем в ПСИ определение температуры ведется по плотности интегрального излучения не во всем интервале длин волн от λ₁ = 0 до λ₂ =∞, а в значительно меньшем: для стекла рабочий спектральный диапазон составляет 0,4 − 2,5, для плавленого кварца 0,4 − 4, для флюорита 0,4−8 мкм [3].

Датчик пирометра выполняется в виде телескопа, линза объектива которого фокусирует на термочувствительном приемнике излучение нагретого тела. В качестве чувствительного элемента используются термопары, термобатареи, болометры (металлические и полупроводни­ковые), биметаллические спирали и т.п. Наиболее широко применяют­ся термобатареи, в которых используется 8−14 миниатюр­ных термопар (например, хромель−копелевые), соединенных последо­вательно. Поток излучения попадает на расклепанные в виде тонких зачерненных лепестков рабочие концы термопар. Свободные концы термопар привариваются к тонким пластинкам , закрепленным на слюдяном кольце . Металлические выводы служат для подсоеди­нения к измерительному прибору, в качестве которого обычно исполь­зуются потенциометры или милливольтметры.

Рабочие концы термопар поглощают падающую энергию и нагреваются. Свободные концы находятся вне зоны потока излучения и имеют температуру корпуса телескопа. В результате возникновения перепада температур термобатарея развивает т.э.д.с., пропорциональ­ную температуре рабочих спаев, а следовательно, и температуре объекта измерения. Градуировка пирометров производится при темпе­ратуре корпуса , поэтому повышение данной температуры приводит к уменьшению перепада температур в термопарах приемни­ка излучения и к появлению значительных дополнительных погреш­ностей. Так, при температуре корпуса 40 °С дополнительная погрешность (при прочих равных условиях) составит ±4 °С. Для снижения этой погрешности пирометры снабжаются компенсирующими устрой­ствами: электрическим шунтом или биметаллической пружиной.

б − расстоя­ние от телескопа до излучателя слишком велико; в − установка телескопа правильная; г − направление телескопа неправильное.

Рисунок 26 − Устройство приемника излучения телескопа ПСИ (а) и вид в окуляре взаимного расположения излучателя (объекта измерения температуры) и термобатареи

Диафрагма, устанавливаемая в телескопе, ограничивает телесный угол визирования, что исключает влияние на показания размеров излучателя и его расстояния от пирометра. При этом на термобатарею попадает излучение только с определенного небольшого участка объекта измерения. Размеры этого участка определяются по показате­лю визирования, который является отношением наименьшего диамет­ра излучателя к расстоянию от объекта измерения до объектива телескопа. При этом изображение круга, вписанного в излучатель, полностью перекрывает отверстие диафрагмы , находящейся перед термобатареей. Телескопы с показателем визирования более 1/16 являются широкоугольными, при этом показателе равном или меньшем 1/16 − узкоугольными.

Пирометры суммарного излучения (ПСИ) имеет меньшую точность по сравнению с другими пирометра­ми. Методические погрешности измерения температуры при использо­вании ПСИ возникают: вследствие значительной ошибки определения интегральной степени черноты ε_Σ, из-за неправильной наводки теле­скопа 1-з излучатель, из-за влияния излучения кладки (измерение температуры в печах) и из-за поглощения энергии водяными парами SO₂ и CO₂, содержащихся в слое атмосферы, находящейся между излучателем и пирометром. Вследствие последней причины оптималь­ным считается расстояние 0,8−1,3 м.

ПСИ измеряют температуру в интервале от 100 до 2500 °С. Основная допустимая погрешность технических промышленных пирометров возрастает с увеличением верхнего предела измерения: при темпера­туре 1500⁰C он составляет ±15 ⁰С, при 2000 °С − ±20 °С, при 2500 °С − ±25 °С.

Оптические пирометры. Принцип действия оптических пирометров основан на использовании зависимости плотности потока монохрома­тического излучения от температуры (закон Планка).

На рисунке 27 схематично представлен яркостный оптический пирометр, работающий по принципу сравнения (на узком участке спектра) яркости контролируемого объекта с яркостью образцового излучателя [1]. Сравнивая яркости двух объектов по спектральным плоскостям излучения можно измерить температуру контролируемого объекта. В качестве образцового излучателя в пирометре используется лампа с вольфрамовой нитью 4. оптическая часть пирометра представляет собой телескоп с объективом 1 и окуляром 7. Для ограничения полосы частот перед окуляром размещен красный светофильтр 6. Оператор, наблюдая контролируемый объект через окуляр, сравнивает его яркость с яркостью вольфрамовой нити и, изменяя последнюю регулирование тока I в цепи нити, добивается равенства яркостей. Этот момент наступает, когда нить становится неразличимой на красном фоне контролируемого объекта. Яркость нити и соответствующая температура определяются по их зависимости от тока.

1 – объектив; 2 - диафрагма; 3 – серый светофильтр;

4 – вольфрамовая нить лампы; 5 – окуляр; 6 – красный светофильтр;

7 – окуляр; 8 – ручка (поворачивается вместе с лампой на 90°).

Рисунок 27 − Яркостный оптический пирометр

Пирометры частичного излучения (ПЧИ) первой группы имеют простую конструкцию. Поток от объекта с помощью линзы и диафрагмы фокусируется на приемной площадке приемника излучения, в качестве которых в основном используются германиевые (спектральный диапазон 0,8-1,8 мкм) и кремниевые (0,5-1,1 мкм) фотодиоды, причем последние измеряют более высокие температуры. В цепь фотодиода, работающего в генераторном режиме, последовательно включается сопротивление нагрузки. Вторичный измерительный преобразователь обеспечивает получение усиленного нормированного выходного сигнала и его передачу быстродействующий регистрирующий прибор или в АСУ ТП. Данные пирометры характеризуются малой инерционностью и высокой надежностью в работе. Пределы измерения от 450 до 2500 ºС и выше. Основная допускаемая погрешность ±0,6 %.

При использовании в качестве приемника излучения фотосопротивлений с эффективными длинами волн в интервале 2,2-3,43 мкм (2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 3,43) ПЧИ позволяют контролировать температуру в интервале от 50 до 1400 ºС с максимальной основной погрешностью 1,0-2,5 %. Стационарные ПЧИ фотодиодного типа имеют небольшие габариты (диаметр корпуса 25 и 50 мм, длина 195 и 275 мм). Показатель визирования колеблется от 1/25 до 1/300. Приемник излучения термостатирован. Температура термостатирования (48 ºС) регулируется с помощью специального транзистора вторичным измерительным преобразователем.

В ряде конструкций оптическая система ПИ выполняется в виде световодов; прямых или гибких, что позволяет уменьшить размеры пирометра и площадки визирования. Преимущество ПИ с гибкими стекловолокнистыми световодами: 1) отсутствие контакта с измеряе­мым объектом, что особенно важно при контроле температур движу­щихся объектов; 2) у измерительной системы практически отсутствует инерционность, так как время срабатывания составляет ~ 1,25 мс; 3) сигнал устойчив по отношению к внешним воздействиям (индуктив­ному, механическому и т.п.); 4) аппаратура активно противостоит нагреву (до 1200 °С), давлению (~ 210 МПа), воздействию электричес­кого поля и высокого напряжения, химическому воздействию агрес­сивных сред; 5) с помощью систем линз можно реализовать большой диапазон длин световодов (до 10 м) и снимать информацию с площадок объекта очень малых размеров, вплоть до 0,1 мм; 6) возможность переноса лучистой энергии в 70 раз больше по сравнению с другими ПИ, что обеспечивает большую точность измерений и разрешающую способность аппаратуры.

Переносные ПЧИ обеспечивают измерение температуры в интервале 15-1500 ºС при рабочем расстоянии от ПИ до объекта 0,6-15 м с допускаемой основной погрешностью 1,0−2,5 % и показателями визирования от 1/15 до 1/250 [3].

Конструктивно ПИ выполнен в виде малогабаритного переносного прибора (рисунок 28), по своему внешнему виду напоминающему пистолет. Оператор с помощью переключателя 23 и корректора 16 устанавливает на табло 15 величину степени черноты измеряемого объекта. Затем переключатель 23 переводится в крайнее верхнее положение (ºС), и оператор через окно окуляра 9 наводит ПИ на объект. Нажатием на кнопку включения запоминания 20 на цифровом табло фиксируется величина измеренного значения температуры [3].

1 − кожух приемной камеры; 2 − рукоятка; 3 − индикаторная панель; 4 − переходная планка; 5 − кронштейн; 6, 7 − платы электронной части прибора; 8 − окуляр; 9 − окно окуляра; 10 − зеркало окуляра; 11 − зеркало; 12 − защитное стекло; 13 − линза объектива; 14 − приемник излучения; 15 − цифровое табло; 16 − ручка установки ε; 17 − блок питания; 18 − блок образования корректирующего сигнала на степень черноты объекта; 19 − клеммы подключения питания; 20 − кнопка включения запоминания измеренного значения температуры; 21 − страховочный ремень; 22 − тумблер включения питания прибора; 23 − переключатель табло; 24 − крышка с защелкой

Рисунок 28 − Устройство переносного пирометра частичного излучения

Таким образом, данный ПИ обеспечивает индикацию измеряемой температуры и задаваемой степени черноты, запоминание текущего и максимального значений температуры, индикацию разряда аккумуляторной батареи питания. Установка величины степени черноты производится в пределах от 0,1 до 1,0 с дискретностью 0,01.

9 Лабораторная работа № 3

Цель работы – изучение бесконтактного метода измерения, а также сравнение показаний радиационного и оптического пирометров, изучение принципа действия приборов.

Порядок выполнения работы

Перед началом работы необходимо ознакомиться с основными теоретическими положениями, описанием установки, а также с правилами эксплуатации оптического пирометра (приложение Б).

Опыт 1. Сравнение показаний радиационного и оптического пирометров

Работу рекомендуем проводить в следующей последовательности:

1. соблюдая полярность, подключить оптический пирометр к источнику питания, клеммы которого выведены на переднюю панель щита, и выводы телескопа радиационного пирометра к цифровому вольтметру, входные зажимы которого выведены на переднюю панель щита;

2. включить питание установки;

3. подать минимальное напряжение (50 В) на фотометрическую лампу (излучатель), предварительно подключив с помощью тумблера 9 излучатель к источнику;

4. измерить температуру излучателя оптическим пирометром (измерения делает каждый член звена), результаты зафиксировать;

5. произвести измерения радиационным пиротетром, для чего свизировать телескоп по окуляру. Полученное значение термоэдс по градуированной таблице (прикреплена к панели установки) перевести в значение радиационной температуры. Результаты зафиксировать;

6. повторить п. 4-5 для указанных преподавателем значений напряжения на излучателе из диапазона от 50 до 100 В;

7. вычислить среднее значение яркостной температуры для каждого напряжения на излучателе. Рассчитать поправку по таблице 1 и оценить действительную температуру, принимая монохроматический коэффициент черноты ε_λ=0,4;

8. определить поправки и оценить значения действительной температуры при радиационных измерениях, принимая суммарный коэффициент черноты ε₀=0,2 - 0,3 (приложение В);

9. занести результаты измерений в таблицу (таблица 9);

10. Сопоставить результаты измерений оптическим и радиационным пирометрами, сделать выводы по работе.

Таблица 9 − Результаты измерений температуры

Напряжение питания, В	Показания оптического пирометра			Показания радиационного пирометра
	Яркостная температура,	Поправка,	Оценка действительной температуры,	Термоэдс, мВ	Радиации онная температура	Поправка,	Оценка действительной температуры,

Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Таблицы регистрации экспериментальных данных.

3. Графики полученных характеристик приборов.

4. Анализ экспериментальных данных и метрологическая оценка результатов.