В таблице 11.1 приведены примерные пределы применения наиболее распространенных приборов и методов измерения температуры. В таблице указаны также приблизительные значения погрешностей измерения при использовании данных приборов и методов.
Как видно из таблицы 11.1 все приборы и методы, в зависимости от значений измеряемых температур, можно разделить на две группы. Первая группа охватывает методы и приборы для измерения в области средних и низких температур: она характеризуется применением контактных методов измерения и относительно узким рабочим диапазоном приборов. Вторая группа включает методы, в которых используется энергия излучения нагретого объекта без непосредственного контакта с ним преобразователя. Эти методы применяются для измерения как высоких, так и низких температур.
Наиболее разработанными и освоенными промышленностью в области низких и средних температур являются методы измерения, использующие терморезисторы и термопары. В последнее время измеряемая температура преобразуется в электрический сигнал, частота которого является функцией температуры. К ним относятся: электроакустический метод, основанный на зависимости скорости звука в газе от температуры; метод, использующий явление ядерного квадрупольного резонанса; термошумовые методы.
Таблица 12.1 – Основные методы и приборы для измерения температуры и диапазон измерения
| Приборы и методы измерения температуры | Температура, 0С | Погреш- ность, % | |||||
| -273 0 1000 2000 3000 100000 | |||||||
| Термометры сопротивления: | 
| ||||||
| из благородных металлов; | 
| 0,001 | |||||
| из неблагородных металлов; | 
| 0,2 - 0,5 | |||||
| Полупроводников | 1 - 2 | ||||||
| Термоэлектрические термометры с термопарами: | |||||||
| из благородных металлов; | 
| 0,1 | |||||
| из неблагородных металлов; | 
| 1 - 2 | |||||
| из тугоплавких материалов | 
| 1 - 3 | |||||
| Электроакустические | 
| 0,05 | |||||
| Термошумовые | 
| 0,1 | |||||
| Оптические пирометры: | |||||||
| радиационные; | 
| 5,0 | |||||
| яркостные; | 
| 1 - 2 | |||||
| цветовые; | 
| 1 - 5 | |||||
| спектральные | 
| 5 - 10 | |||||
| Термовизоры | 
| 0,01 |
|
|
Измерение температуры твердых тел и поверхностей отличается тем, что резко возрастает зависимость показаний от потерь тепла через теплопроводность преобразователя, особенно если приходится иметь дело с измерением температуры плохо теплопроводящих тел.
При измерении температуры сыпучих тел (например, зерна в зернохранилищах, почвы) уменьшение потерь на теплопроводность легко достигается глубоким погружением преобразователя в толщу среды, обычно в этом случае применяют термометр сопротивления с герметически присоединенным кабелем.
Термометры сопротивления. Металлические термометры сопротивле-
ния – это платиновые термопреобразователи, которые используются для измерения температуры в диапазоне от минус 200 до плюс 1100 0С и медные, используемые при температурах от минус 200 до плюс 200 0С. Платиновые термометры в диапазоне температур от 0 до плюс 650 0С используют как образцовые.
|
|
Зависимость сопротивления от температуры в диапазоне от 0 до плюс
650 0С имеет вид
,
где R0 – сопротивление при 0 0С, Ом;
А = 3,90784 
К-1;
B = 5,7841 
К -2;
Θ – температура, К.
В интервале температур от 0 до минус 200 0С зависимость сопротивления платины имеет вид
,
где С = - 4,482 
К-3.
При расчете медных терморезисторов в диапазоне температур от минус 50 до плюс180 0С пользуются формулой
,
где 
= 4,26 
К-1;
R0 - сопротивление при 0 0С, Ом.
Терморезисторы включаются в схемы неравновесных мостов по трехпроходной схеме (рисунок 11.1).
Рисунок 11.1 – Схема преобразования сопротивления в напряжение
Полупроводниковые терморезисторы (таблица 11.2) отличаются от металлических меньшими габаритами, значительно большим температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). При этом ТКС отрицательный и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры
,
где Т – измеряемая температура;
В – коэффициент, имеющий размерность температуры;
R1 – сопротивление резистора при температуре Т1.
Напряжение на входе операционного усилителя, которое является напряжением питания моста, определяется по формуле
U = Uо (R1 + R + r1 + r3)/R1.
Выходное напряжение моста определяется как
Uвых=U0 
.
Напряжение питания Uo ограничивается значением допустимого тока протекающего через терморезистор
I = Uo / R1.
Таблица 11.2 – Характеристики некоторых полупроводниковых терморезисторов
| Тип терморезистора | Номинальное сопротивление Rном, кОм | Постоянная В, 102 К | Диапазон рабочих температур Траб., 0С | Коэффициент рассеяния, мВт/К | Постоянная времени τ, с |
| ММТ-6 | 10 – 100 | 20,6 | от -60 до +125 | 1,7 | |
| СТ3-6 | 6,8 – 8,2 | 20,5 – 24 | от -90 до +125 | 1,6 | |
| КМТ-10 | 100 – 3300 | от 0 до +125 | - | - | |
| СТ4-2 | 2,1 - 3,0 | 34,7 – 36,3 | от -60 до 125 | - | |
| СТ4-15 | 1,5 – 1,8 | 23,5 – 32,6 | от -60 до +180 | - | |
| СТ4-17 | 1,5 – 2,2 | 32,6 – 36 | от -80 до +100 | ||
| КМТ-14 | 0,51 – 7500 | 41 – 70 | от -10 до +300 | 0,8 | |
| СТ3-14 | 1,5 – 2,2 | 26 – 33 | от -60 до +125 | 1,1 | |
| СТ1-18 | 1,5 – 2200 | 40,5 – 90 | от -60 до +300 | 0,2 | |
| СТ3-19 | 2,2 – 15 | от -90 до +125 | 0,5 | ||
| СТ3-25 | 3,3 – 4,5 | 26 – 32 | от -100 до +125 | 0,08 | 0,4 |
|
|
Для линеаризации характеристики при работе с полупроводниковыми терморезисторами можно использовать нелинейную зависимость напряжения от одного из сопротивлений в резистивном делителе или неравновесном мосте. Схема такой цепи представлена на рисунке 11.2.
Рисунок 11.2 - Схема неравновесного моста
В данной цепи напряжение с делителя R1 и R подаётся на неинвертирующий вход усилителя. Сопротивление R1 выбирается в соответствии с выражением:
,
где ТП – абсолютная температура, К;
Rтп – сопротивление терморезистора соответствующего температуре ТП, , кОм.
Сопротивление R2 и R3 выбирает исходя из требуемой чувствительности преобразователя. Напряжение находят как
Uвых =U0 
.
Термоэлектрические преобразователи работают на принципе термоэлектрического эффекта. Они используются для измерения температур в диапазоне от минус 200 до плюс 2200 0С. Диапазон измерения зависит от материала, используемого в спаях термопары.
Термопары включают в схему прямого измерения с уравнительным резистором (рисунок 12.3).
Рисунок 12.3 - Схема включения термопары
Показания милливольтметра:
,
где ЕТП - ЭДС термопары, мВ;
RВХ - входное сопротивление
RВХ = RТП + RПР + RУ - сопротивления термопары, проводов, уравнительного резистора, Ом;
Rmv – сопротивление милливольтметра, Ом.
В случае применения термопар для измерения температуры поверхностей тел особое внимание должно быть уделено вопросу надежного теплового контакта с объектом измерения. Это важно при измерении на неметаллических или шероховатых поверхностях.
В качестве измерительных цепей термоэлектрических термометров используются милливольтметры или малоомные компенсаторы на низкий предел измерения (до 100 мВ) как с ручным, так и с автоматическим уравновешиванием. Погрешность никелевых и медных термометров сопротивления несколько выше, а пределы измерения уже, чем у платиновых, однако использование их в ряде случаев оправдывается значительно меньшей стоимостью, чем платиновых.
Инерционность термопар, обусловленная их конструктивными особенностями, ограничивает применение термопар для измерения быстропеременных температур. Радикально уменьшить инерционность только за счет конструктивных усовершенствований достаточно трудно.
Бесконтактные методы измерения средних и высоких температур. Если какое-либо тело нагрето значительно выше температуры окружающей среды, то его теплообмен со средой происходит не только путем теплопроводности и конвекции, но и путем лучеиспускания. Для абсолютно черного тела полная энергия излучения с единицы поверхности
,
где 
– постоянная Стефана-Больцмана, = 5,67∙10-8 Вт/ м2 ∙К4;
Т – температура тела, К.
Воспринимая это излучение можно измерять температуру без непосредственного контакта с нагретым телом. Термометры, построенные на этом принципе, называют пирометрами. В зависимости от используемой входной величины различают три вида этих приборов: радиационные, яркостные и цветовые.
В радиационных пирометрах измеряется интегральное тепловое излучение. В яркостном пирометре используется яркость светового излучения нагретых тел. Он может быть применен, лишь при высоких температурах и отличается тем, что из всего весьма широкого спектра излучения воспринимается лишь узкая полоса частот.
Радиационные пирометры. На рисунке 11.4 показан преобразователь пирометра ИАТ, представляющий собой трубу 1, в заднем торце которой установлено сферическое зеркало 3. Измеряемый радиационный поток, отраженный зеркалом 3, фокусируется на терморезистор 2 и нагревает его. Чтобы нагрев происходил только прямыми лучами и исключался нагрев лучами, отраженными от стенок трубы, внутренняя ее поверхность покрыта зачерненными ребрами 5, а терморезистор прикрыт со стороны, противоположной фокусирующему зеркалу, тепловым экраном 4. Для сохранения в чистоте внутренней полости преобразователя и особенно отражающей поверхности фокусирующего зеркала входной конец трубы герметично закрыт тонкой полиэтиленовой пленкой 6, хорошо прозрачной для светового и инфракрасного излучения.
Терморезистор включается в одно из плеч самоуравновешивающегося моста, питаемого током частотой 50 Гц. Пирометр предназначен для измерения температур от 20 до 100° С. При измерении более высоких температур (от 100 и до 2500° С), когда излучение становится более высокочастотным, для фокусировки радиационного потока применяются стеклянные или кварцевые собирательные линзы, а в качестве чувствительного элемента, воспринимающего тепловой поток, батареи термопар. Подобные пирометры не могут измерять относительно низкие температуры (ниже 100° С), так как стеклянная или даже кварцевая оптика непрозрачна для низкотемпературного инфракрасного излучения
Рисунок 11.4 – Конструктивная схема радиационного пирометра
Расстояние, с которого может производиться измерение, определяется размерами нагретого тела и не может быть слишком большим по следующим причинам. При расположении поверхности нагретого тела 7 (рисунок 11.4) в непосредственной близости от преобразователя, на фокусирующее зеркало попадают лучи с части поверхности тела, ограниченной кругом с диаметром D. При увеличении расстояния между телом и преобразователем плотность радиационного потока убывает пропорционально квадрату этого расстояния. Однако одновременно с этим возрастает площадь поверхности нагретого тела, ограниченная диаметром D и «видимая» телескопом преобразователя. Так как увеличение этой площади также пропорционально квадрату расстояния, то показания прибора остаются примерно постоянными.
Недостатком всех радиационных пирометров является то, что их показания определяются не только температурой исследуемого тела, но и отражающей способностью его поверхности. У реальных не абсолютно черных тел происходит внутреннее отражение теплового потока от их поверхности и выходящий во вне поток Е = ε∙σ·Т4. В данной формуле ε – коэффициент неполноты (черноты) излучения. Этот коэффициент для различных материалов колеблется в пределах от 0,04 до 0,9; при этом он сильно зависит от состояния поверхности материала.
Из этого следует, что температура Тр, измеренная по методу полного излучения, всегда меньше истинной температуры тела Т. Поэтому Тр называют радиационной температурой нечерного тела, а ее связь с истинной температурой определяется соотношением Тр = 
.
Например, для стальных деталей, в зависимости от появления на них ока-
лины значение ε может изменяться от 0,1 до 0,9, следовательно, различие между Т и Тр может достигать 1,7. Поэтому радиационные пирометры градуирую именно на тех телах и в том состоянии, в котором им затем предстоит работать, и при смене объектов измерения, сильно отличающихся друг от друга, нуждаются в новой градуировке.
Яркостные пирометры. Эти пирометры являются приборами сравнения в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя в виде температурной лампы накаливания. В качестве образцового источника яркости применяют лампы с плоской (не свернутой в спираль) вольфрамовой нитью или лентой. После старения в течение 100 ч при температуре 2000 °С излучение лампы становится достаточно стабильным, если ее при эксплуатации не перегревать выше 1400…1500 °С. Яркость можно регулировать или изменением тока лампы или введением нейтрального светофильтра пе-
ременной плотности «оптического клина». В первом случае шкала прибора получается резко нелинейной, так как яркость нити лампы накаливания пропорциональна примерно пятой степени тока накала. При изменении же яркости с помощью оптического кругового клина угол поворота последнего будет линейно зависеть от регулируемой яркости.
Устройство яркостного пирометра с оптическим клином схематически показано на рисунке 11.5.
Рисунок 11.5 – Конструктивная схема яркостного пирометра
Телескоп содержит объектив 1 и окуляр 5, через которые наблюдатель рассматривает исследуемый объект 8. Наблюдение проводится в узкой полосе частот излучения, для чего перед окуляром 5 устанавливается красный светофильтр 4. Нить 6 температурной лампы наблюдатель видит непосредственно, а яркость исследуемого объекта 8 ослабляется оптическим клином 3. Угол поворота клина, соответствующий равенству яркостей, отсчитывается по шкале указателя 7. Прибор имеет два предела измерения, для чего последовательно с клином вводится нейтральный светофильтр 2 с поглощением, равным поглощению толстого края клина, и отсчет производится по второй шкале вплоть до удвоенного значения яркостей. Сравнение яркостей при определении температуры тел с достаточной площадью светящейся поверхности происходит следующим образом. Если яркость объекта больше яркости образцового излучателя, то нить лампы (рисунок 11.6, а ) видна в виде черной тени на более ярком фоне объекта. Если же наоборот, яркость объекта слишком ослаблена светофильтром, то свечение нити становится заметным на более темном фоне объекта (рисунок 11.6, б ). При точном совпадении яркостей глаз наблюдателя не может обнаружить присутствия нити, т. е. контуры нити исчезают из поля зрения, как это показано на рисунке 11.6, в. По этой причине пирометры такого типа часто называют пирометрами с исчезающей нитью.
Хотя яркости двух тел при этом методе сравниваются чисто субъективно, возникающая от этого погрешность измерения мала. Дело в том, что яркость тела растет в десятки раз быстрее, чем его температура. Поэтому, если при сравнении яркостей будет допущена погрешность даже в 1 %, это вызовет погрешность в измерении температуры не более 0,1 %.
Описанный прибор требует ручного уравновешивания, однако выпускают яркостные пирометры и с автоматическим уравновешиванием.
Яркостные пирометры, как и радиационные, обладают погрешностью от неполноты излучения, измеряемая ими температура тела Тя называется яркостной температурой. Коэффициент неполноты излучения при К = 0,6…0,7 мкм для различных материалов колеблется в диапазоне от 0,03 до 0,7 и резко зависит от состояния поверхности материала. Так, для полированной меди он равен 0,03, а для оксидированной меди – 0,73.
Рисунок 11.6 – Вид в окуляр яркостного пирометра
Цветовые пирометры. Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения при двух длинах волн, выбираемых обычно в красной и синей областях спектра. Температура, измеряемая цветовыми пирометрами, называется цветовой температурой тела и если коэффициенты неполноты излучения для обеих выбранных длин волн совпадают между собой, то цветовая температура равна истинной температуре тела. Это одно из решающих преимуществ цветовых пирометров. Кроме того, показание цветовых пирометров принципиально не зависит от расстояния до объекта измерения и от поглощения радиации в среде, заполняющей это расстояние, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн.
Недостатком цветовых пирометров является их относительная сложность. Дело в том, что зависимость плотности излучения, т. е. энергия, приходящаяся на единицу длины волны, от измеряемой температуры описывается довольно сложным выражением, вытекающим из квантовой теории. Поэтому в состав цветового пирометра входит вычислительное устройство.
Список литературы
1 Сергеев, А. Г. Метрология / А. Г. Сергеев, В. В. Крохин. – М.: Логос, 2001.– 408 с.
2 Шабалин, А. С. Прикладная метрология в вопросах и ответах / А. С. Шабалин. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 186 с.
3 Левшина, Е. С. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи / Е. С. Левшина, П. В. Новицкий. – Л.: Энергоатомитздат, 1983. – 390 с.
4 Байда, Л. И. Электрические измерения / Л. И. Байда, Н. С. Добротворский, Е. М. Душин; под общ. ред. А. В. Фремке и Е. М. Душина. – 5-е изд., перераб. – Л.: Энергия. 1980. - 392 с.
5 Атамалян, Э. Г. Приборы и методы измерения электрических величин: учеб. пособие / Э. Г. Атамалян. – М.: Высш. шк., 1989. – 384 с.
6 Сборник задач и упражнений по электрическим и электронным измерениям / Под ред. Э. Г. Атамалян. – М.: Высш. шк., 1983. –110 с.
7 Технический контроль в машиностроении: справочник проектировщика /Под ред. В. И. Чупырина и Л. Д. Никифорова. – М.: Машиностроение, 1987. –512 с.
8 Электрические измерения / Под ред. В. Н. Малиновского. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 420 с.
9 Электрические измерения электрических и неэлектрических величин /
Под ред. Е. С. Полищука. – Киев.: Вища шк., 1984. – 355 с.
10 Электрические измерения: учебник для ВУЗов / Под ред. Л. В. Фремке и Е. М. Душина. – 5-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергия, 1980. – 392 с.
11 Кукуш, В. Д. Электрорадиоизмерения: учеб. пособие / В. Д. Кукуш. М.: Радио и связь, 1985. – 368 с.
12 Боднер, В. А. Приборы первичной информации / В.А. Боднер. – М.: Машиностроение, с.1981. – 344