Термоэлектрических термометры

Работа термоэлектрических термометров основана на термоэлектрическом эффекте, возникающем в термопаре. Термопарой или термоэлементом называют цепь из двух разнородных электрических проводников (термоэлектродов), концы которых соединены (сваркой, пайкой и т.п.). При наличии разности температур в местах соединения термоэлектродов в цепи генерируется термо ЭДС.

Значение ЭДС зависит только от температуры спаев и материала термоэлектродов, но не зависит от диаметра и длины проводников и распределения температуры по их длине.

Если температура одного из концов термопары постоянная (например, он погружен в воду с тающим льдом или термостабилизирован другим способом), то ЭДС зависит только от температуры ее рабочего конца. Наиболее известные материалы термоэлектродов - платина, железо, молибден, вольфрам, медь, магнанин, платинородий, хромель, копель, алюмель, константан. Конструктивное оформление термопар разнообразно и должно соответствовать условиям их эксплуатации. Час­то рабочие концы помещают в защитные оболочки из фарфора или другого материала.

Различают термопары со стандартными и нестандартными градуировками.

К термопарам с нестандартными градуировками относятся медьконстантовые, вольфрамрениевые, вольфраммолибденовые и др. В основном их используют для специальных измерений, например, в диапазоне высоких температур (2500 °С для термопар типа карбид титана-графит).

Преимущества термоэлектрических термометров -линейность в широком диапазоне температур, чувствительность и стабильность показаний, простота изготовления. Недостаток - сравнительно большая постоянная времени (1... 10 с).

Применение микропроцессоров позволяет реализовать накопление и вызов максимальных и минимальных температур, вычислить скорость изменения температуры, коммутацию нескольких измерительных каналов, автокалибровку и т.д.

Волоконно-оптические термометры (ВОТ) - выполняются из кварцевого моноволокна диаметром 0,2... 1 мм, длиной до 100 м, на торце которого, вводимого в контролируемый объем, располагается микрокапсула с веществом, изменяющим свои оптические свойства при нагреве (люминофор, жидкий кристалл, двупреломляющийся кристалл и т.д.). На другом конце располагаются источник света (обычно светодиод) и фотодиод для ре­гистрации излучения, огражденного от капсулы термо­датчика. Достоинство ВОТ - отсутствие гальванической связи с объектом, нечувствительность к электромагнит­ным помехам, нетоксичность, малые габариты, высокое быстродействие.

Действие термоиндикаторов основано на измене­нии агрегатного состояния, яркости и цвета свечения некоторых веществ при нагреве. С их помощью можно быстро и экономично получить информацию о тепловом режиме объекта. Преимуществом термоиндикаторов яв­ляется возможность запоминания распределения темпе­ратур в процессе испытаний, простота и наглядность, экономичность. К недостаткам термоиндикаторов следует отнести инерционность, сравнительно невысокую точность, необходимость нанесения на изделие специ­альных покрытий, сложность изучения динамических температурных режимов. Включение их в системы терморегулирования представляет значительные трудности. Термохроные термоиндикаторы с химическим взимодействием компонентов (галоидные комплексные соли серебра, ртути, меди) могут вступать в реакцию с металлами, поэтому их наносят на ленты из ткани, бума­ги, фольги и пр. Существуют обратимые (многократно меняющие цвет при нагреве) и необратимые термоиндикаторы этого типа.

Жидкокристаллические термоиндикаторы представляют собой органические соединения, одновременно обладающие свойствами жидкости (текучесть) и твердого кристаллического тела (анизотропия, двойное лучепреломление). При изменении температуры жидкий кристалл меняет свой цвет. Жидкие кристаллы эффективно используют при исследовании температур в электронных схемах для обнаружения дефектов типа нарушения сплошностей. Они выпускаются в виде пленок и жидких растворов.

Плавящиеся термоиндикаторы существуют двух типов: плавкие покрытия и термосвидетели. Покрытия выпускают в виде термокарандашей (мелков), термолаков, термотаблеток (термопорошков). Изготовляются на основе воска, стеарина, парафина или соединений серы, цинка, свинца (для высоких температур). На поверхности изделия термокарандашом наносят риску, которая плавится при достижении заданной температуры. Дейст­вие термолаков аналогично. Термосвидетели представляют собой нанизанные на тугоплавкую проволоку пла­стинки из металлов, плавящихся при различных температурах.

Действие люминофорных термоиндикаторов осно­вано на температурной зависимости цвета или интенсив­ности люминесценции некоторых веществ, например сульфидов цинка и кадмия. Недостатком люминофорных индикаторов является необходимость точной стабилиза­ции возбуждающего люминесценцию излучения (обычно ультрафиолетового).

Принцип действия изооптических термоиндикаторов (ИОТ) основан на эффекте Христиансена, заключающегося в рассеянии света смесью двух прозрачных (например, порошок стекла в глицерине), если показатели преломлена компонентов различны. При совпадении этих показателей для какой-либо частоты света, наблюдается селективное усиление направленного пропускания смеси. Зависимость дисперсионной характеристики некоторых органических жидкостей от температуры приводит к изменению цвета смеси в

проходящем свете при ее нагреве. ИОТ выпускаются в виде стеклянных капсул.

Бесконтактные дистанционные измерители температуры - пирометры

Действие пирометров излучения основано на фото, электрической, визуальной и фотографической регистрации интенсивности теплового излучения нагретых теп" пропорционального их температуре. Пирометры обычно имеют объектив для фокусировки излучения на фотодетектор, светофильтры и блок электронной обработки сигнала. При контроле температуры объектов в труднодоступных полостях применяют пирометры в сочетании с волоконно-оптическими световодами. Калибровка пирометров проводится по эталонным источникам [абсолютно черное тело (АЧТ), пирометрические лампы и т д.].

Яркостными пирометрами измеряют спектральную яркость объекта на определенной длине волны, которая сравнивается с яркостью АЧТ. В качестве АЧТ используется спираль специальной лампы накаливания. Яркостные пирометры применяют для измерения высоких температур (св. 600 °С), при которых тела начинают излучать в видимой области, а интенсивность излучения достаточна для его регистрации в узком спектральном диапазоне визуально или с помощью фотоприемников типа ФЭУ, фотодиода.

Цветовыми пирометрами измеряют интенсивность излучения объекта в двух узких зонах спектра, отноше­ние которых сравнивается с соответствующим отношением для АЧТ. Показания цветовых пирометров не зави­сят от коэффициента излучения объектов.

Радиационные пирометры, работающие в широком спектральном диапазоне, наиболее часто используют для измерения температуры слабонагретых тел.

Применяют объективы из материалов, прозрачных в соответствующей спектральной области. Стекло используют для измерения температур от 900 "С. Кварц приме­няют для регистрации температур более 400 °С. Объек­тивы из фтористого лития или фтористого бария позволяют фиксировать температуры в диапазоне 20... 500 Часто используют также германиевую и зеркальную.

Существенное влияние на показания радиационного пирометра оказывает состояние поверхности контролируемого объекта, поскольку оно связано с его излучательной способностью.

Современные модели пирометров, в том числе портативных автономных, снабжаются встроенным микропроцессором, реализующим запоминание максимальной, средней и минимальной температуры за время измерения. коррекцию излучательной способности автокалибровку прибора и другие функции.

Для определения распределения температуры по поверхности объекта вдоль заданной линии развертки применяют радиационные пирометры с оптико-механи­ческой системой линейного сканирования - термопрофили.

Перед приемником могут быть установлены фильтры для исключения влияния отраженных от объектов солнечных лучей или подавления излучения объекта в диапазоне его прозрачности.

В схеме прибора предусмотрен эталонный темпера­турный источник, уровень излучения которого поддерживается с высокой точностью. Таким образом, на детектор последовательно попадает ИК-излучение от объ­екта и опорного излучателя, относительная интенсив­ность которых сравнивается с помощью электронной схемы.

После усиления сигналы детектора, пропорциональные ИК-излучению объекта и эталонного излучения, подаются на кинескоп блока индикатора и воспроизво­дятся в виде яркой линии.

Быстродействие термопрофиля обычно 25 строк/с, чувствительность 0,1 °С (при +20 °С), пространственная разрешающая способность 10' при поле обзора до 80°.

Система «Термопрофиль» предназначена для кон­троля протяженных движущихся объектов в процессе производства. Комбинация «Термопрофиля» с ЭВМ дает возможность автоматического управления температурным режимом в производственных процессах.

Применение гибких световодов в пирометрах позволяет, например, осуществлять контроль воспламене­ния воздушно-топливной смеси в двигателях внутренне­го сгорания. Для этого входные концы стекловолоконных жгутов устанавливаются в различных цилиндрах контролируемого объекта. Выходные торцы жгутов сформированы в виде одного кадра, что позволяет одно­временно снимать на пленку процесс горения во всех контролируемых точках. При необходимости на ту же пленку может регистрироваться излучение эталонного источника, поданное по отдельному жгуту.

Широкое применение находят волоконно-оптические телевизионные пирометры. Они обладают рядом преимуществ - возможностью усиления контраста изображения, высоким качеством изображения, возможностью его размножения на несколько телевизионных при­емников и на большом удалении от объекта.

Область спектральной чувствительности инфракрасных видиконов простирается до 2 мкм с максимумом около 1 мкм. Применение фотопроводяшего слоя из солей окиси свинца, обработанного серой, может сдви­нуть границу чувствительности дальше 2 мкм. Разрешающая способность ИК видиконов достигает 10 мм^-1. Температурная чувствительность 1... 3 °С в диапазоне 300... 600 °С.

Создание световодов из мышьяковисто-сернистых стекол, пропускающих инфракрасное излучение в диапазоне 1,5... 14 мкм, позволяет в сочетании с соответствующими детекторами (пировидикон, охлаждаемые фотосопротивления из сурьмянистого индия и др.) регист­рировать тепловое излучение находящихся в труднодоступных полостях объектов с температурами 20... 100 "С. Эта световоды имеют высокий показатель преломления и апертуру, выше 1, что позволяет в сочетании с высоким уровнем топологической мобильности, присущей волокнистой оптике, создавать системы контроля, энергетическая чувствительность которых значительно превосходит возможности классической оптики.

Дата добавления: 2015-07-14