8.1.4. Полупроводниковые и электронные термометры сопротивления

Материалом для изготовления полупроводниковых термометров (терморезисторов) сопротивления служат смеси различных полупроводниковых веществ – смеси окиси меди и марганца, смеси окиси кобальта и марганца, смеси двуокиси титана и окислов магния. Значения электропроводности и температурного коэффициента электрического сопротивления таких термометров в значительной степени зависят от природы окислов и их соотношения в смеси.

Максимальная температура, которая может быть измерена таким термометром, не превышает 300 °С.

Недостатками полупроводниковых терморезисторов являются нелинейность зависимости сопротивления от температуры, значительный разброс номинальных значений сопротивлений различных образцов и их температурных коэффициентов электрического сопротивления.

Основными источниками погрешностей измерения температуры терморезисторами являются неточность подгонки сопротивления R₀ при температуре 0°С и отклонение отношения сопротивления R₁₀₀ при 100 °С к сопротивлению R₀ , нестабильность этих параметров во времени, дополнительный нагрев от прохождения рабочего тока, нестабильность сопротивления съемных проводов, подходящих от измерительной схемы к преобразователю и др.

Основное применение терморезисторы нашли в системах температурной сигнализации.

Термопреобразователи электронные выпускаются промышленностью на базе кремниевых диодов, малых интегральных схем и транзисторов. Они нашли широкое применение для измерения температур в диапазоне от −55 до +125 °С.

В основе конструкции этого типа преобразователей лежит объединение в одной микросхеме чувствительного элемента и многофункциональной схемы обработки информации чувствительного элемента. Интегральная схема имеет оперативную и постоянную память для хранения и накопления измеренных данных. Выпускаемые промышленностью преобразователи позволяют измерять температуру с дискретностью 0,5 °С и преобразовывать её значения в последовательный 9-разрядный двоичный код.

Для сбора данных с электронных термопреобразователей используется контроллер, который с определенной периодичностью осуществляет сбор данных, их накопление и передачу информации на удаленный персональный компьютер.

8.1.5. Измерение температур тел по их тепловому излучению

Тепловое излучение представляет собой процесс распространения внутренней энергии излучаемого тела электромагнитными волнами. При поглощении электромагнитных волн от излучаемого тела другими телами электромагнитные волны вновь превращаются в тепловую энергию. Большинство тел обладает непрерывным спектром излучения.

Суммарное излучение тела по всем длинам волн и по всем направлениям полусферического пространства называют интегральным лучистым потоком Q. При отнесении этого излучения к единице поверхности тела получают плотность интегрального полусферического излучения, или излучательную способность тела

, (8.6)

где F – поверхность излучаемого тела.

Излучение, отнесённое к узкому интервалу изменений длин волн от до [ d ], называют потоком монохроматического излучения . Соответственно, плотность монохроматического полусферического излучения

. (8.7)

При отнесении монохроматического излучения E к величине интервала длин волн d получают спектральную интенсивность излучения:

. (8.8)

Одним из основных законов излучения является закон Планка, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от температуры

, (8.9)

где – длина волны (м); T – температура тела (К); С₁ = 0,376 10^─15 – постоянная Планка (Вт м²); С₂ = 1,438 10^─2 – постоянная Планка (м град).

Интенсивность излучения резко меняется с изменением температуры. Для участка видимого спектра излучения уравнение Планка можно упростить и получить закон излучения Вина:

. (8.10)

Плотность интегрального полусферического излучения E определяется как суммарная энергия излучения тела по всем длинам волн:

. (8.11)

Подставляя в (811) соотношение (8.10) и интегрируя, получают формулу, которая известна под названием закон Стефана-Больцмана для лучистого теплообмена в виде

, (8.12)

где С₀ = 5,67 (Вт м^-2 град^-4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для измерения температур свыше 1800 °С невозможно использовать контактные методы измерения из-за температурной стойкости датчика. В этом случае используются бесконтактные методы измерения температур. Для этого применяются пирометры, действие которых основано на реализации закона Вина или закона Стефана-Больцмана, связывающих температуру тел с их тепловым излучением.

При измерении температур тел по их тепловому излучению чаще всего пользуются следующими тремя методами:

• яркостным – по спектральной интенсивности излучения телом лучей определенной длины волны (фотометрическое измерение яркости тела по );

• радиационным – по плотности интегрального излучения (излучательная способность ) E;

• цветовым – по отношению спектральной интенсивности излучения телом лучей двух определенных длин волн (по соотношению : ).

Яркостный метод измерения, ограниченный только видимой областью спектра, называют также оптическим. Тепловое излучение различных тел при одинаковой температуре неодинаково, поэтому градуировку измерительного устройства производят по излучению абсолютно черного тела. При определении температур в показания измерительных устройств вводят поправки.

Яркостные измерения обладают высокой чувствительностью (при повышении температуры в 2 раза от 1000 до 2000 К интенсивность излучения волн длиной = 0,65 мк изменяется в 64 200 раз.

Пирометры, основанные на методе яркостного измерения температур, отградуированные на излучение абсолютно черного тела, при измерении действительной температуры реальных тел будут показывать более низкую, так называемую яркостную температуру тела.

Зная монохроматический коэффициент черноты и температуру , можно определить действительную температуру тела .

По закону Вина интенсивность излучения для абсолютно черного тела

; ; (8.13)

; (8.14)

; (8.15)

(8.16)

. (8.17)

Оптическим пирометром называют прибор, предназначенный для измерения яркостных температур светящихся тел в одном узком интервале длин волн видимого спектра – в определении интенсивности красного монохроматического излучения.

Р и с. 8.7. Оптическая система яркостного визуального пирометра: 1 – визируемый объект; 2 – объектив пирометра; 3 – входная диафрагма; 4 – светопоглощающее стекло; 5 – нить пирометрической лампы; 6 – линза окуляра; 7 – красный светофильтр; 8 – выходная диафрагма

Оптический пирометр является прибором ручного действия, чувствительным элементом при этом служит глаз наблюдателя. Поэтому прибор пригоден только для периодических, временных наблюдений, например, при наладке топочного процесса. Наиболее распространен оптический пирометр с «исчезающей» нитью. Его принципиальная схема представлена на рис. 8.7.

Изображение объекта с помощью объектива 2 проектируется в плоскости нити пирометрической лампы (эталонной). Наблюдатель, рассматривая с помощью окулярной линзы 6 изображение нити, видит его на фоне изображения нагретого тела

Между пирометрической лампой и объективом по мере необходимости вводят светопоглощающее стекло, а между лампочкой и глазом наблюдателя – светофильтр. Изменяя силу тока накала пирометрической лампы, добиваются совпадения яркости лампы накаливания с яркостью нагретого изделия. В этом случае глаз наблюдателя перестанет различать нить на фоне изображения объекта и она как бы «исчезнет».

Упрощенная схема оптического пирометра (типа ОППИР) показана на рис. 8.8, а. Прибор состоит из оптической системы и миллиамперметра 1 со шкалой, отградуированной в °С на разные пределы измерения яркостной температуры. Телескоп имеет объектив 2 и окуляр 5, с помощью которых он наводится на объект измерения. Между объективом и пирометрической лампой размещается кассета светофильтров 3, а между лампой и окуляром – красный светофильтр 6.

Нить накала лампы находится в поле зрения наблюдателя, смотрящего в телескоп. Лампа питается от аккумуляторной батареи Б. Ток в цепи нити накаливания лампы регулируется реостатом R и измеряется показывающим прибором 1. Для измерения температуры тела телескоп пирометра наводят на нагретую поверхность тела. Нить лампы при этом имеет небольшой накал и наблюдается в виде черной линии (дуги) на светлом фоне, как это показано на рис. 8.8, б.

Р и с. 8.8. Упрощенная схема оптического пирометра ОППИР: а – схема пирометра; б, в, г – вид нити, наблюдаемой в телескоп

Увеличивая ток в цепи лампы накаливания вращением рукоятки реостата, мы увеличиваем температуру нити накаливания пирометрической лампы и в момент совпадения яркостей нити и объекта наблюдения накаленная часть нити «исчезает» на фоне нагретого предмета (рис. 8.8, в). По показаниям измерительного прибора, включенного в цепь пирометрической лампы, определяется яркостная температура. При дальнейшем увеличении накала лампы нить будет иметь вид светлой линии на темном фоне (рис. 8.8, г).

Зная зависимость яркостной температуры нити лампы от силы тока накала и измерив величину тока в момент исчезновения нити, определяют яркостную температуру объекта. В избежание перегрева нити накаливания выше 1400 °С при измерении температур выше указанного значения необходимо использовать кассету светофильтров 3. Использование кассеты светофильтров позволяет получить одинаковую яркость свечения объекта и нити накаливания, имеющих реально различные температуры.

Расстояние между измеряемым телом и оптическим пирометром не влияет существенно на точность измерения, если оно достаточно велико по сравнению с фокусным расстоянием объектива.

На точность измерения температуры оптическими пирометрами оказывают заметное влияние степень отклонения свойств излучателя от свойств черного тела, а также лучепоглощающие промежуточные среды, через которые производятся наблюдения.

Действие пирометров полного излучения основано на зависимости от температуры полной энергетической яркости тела, описываемой формулой Стефана-Больцмана (8.12).

Комплект прибора состоит из первичного преобразователя (телескопа), одного или двух вторичных приборов и вспомогательных устройств.

Первичный преобразователь пирометра снабжен теплочувствительным элементом и оптической системой, концентрирующей лучистую энергию тела на этом датчике, степень нагрева которого определяет радиационную температуру тела.

В качестве теплочувствительного элемента в большинстве случаев применяют миниатюрную термобатарею из нескольких последовательно соединенных термоэлектрических преобразователей (например, хромель-копелевых или др.). Термобатарея в радиационных пирометрах старых выпусков помещается в защитную стеклянную колбу. В пирометрах полного излучения, выпускаемых в настоящее время, применяют открытую термобатарею, т.е. без защитной стеклянной колбы, что значительно уменьшает инерционность первичного преобразователя пирометра.

Для концентрации лучистой энергии, исходящей из источника на теплочувствительный элемент, первичные преобразователи пирометров снабжаются рефракторной оптической системой (собирающей линзой). При небольших мощностях лучистой энергии и, следовательно, невысоких температурах тел для концентрации энергии используют рефлекторную оптическую систему (вогнутое зеркало).

Применяемые в настоящее время пирометры полного излучения позволяют измерять температуру в диапазоне от 400 до 3500 °С.

В качестве вторичных показывающих, самопишущих и регулирующих приборов, работающих в комплекте с первичными преобразователями пирометров, используются милливольтметры, автоматические потенциометры или иные регистраторы, в том числе цифровые, имеющие соответствующую градуировку. Вторичные приборы обычно снабжают шкалой, позволяющей отсчитывать непосредственно радиационную температуру, выраженную в градусах Цельсия.

Пирометр состоит из первичного преобразователя (телескопа) с рефракторной оптической системой и измерительного прибора ИП. Изображение объекта, температура которого измеряется, создается в телескопе с помощью линзы объектива 1 в плоскости термобатареи 2. Термобатарея 2 является приемником лучистой энергии и преобразователем ее в термоЭДС. Лучи от нагретого объекта, попадающие в линзу объектива, концентрируются на рабочей поверхности термобатареи. Электродвижущая сила термобатареи, температура которой устанавливается в результате воздействия на нее потока лучистой энергии от измеряемого тела и теплообмена с окружающими деталями, измеряется вторичным прибором ИП.

На рис. 8.9 приведены две оптические схемы радиационного пирометра: рефракторно-преломляющая (а) с оптической линзой и рефлекторно-отражающая с отражающим зеркалом (б).

а б

Р и с. 8.9. Схемы телескопов радиационных пирометров: а – с рефракторной оптической системой; б – с рефлекторной оптической системой

При последовательном соединении термопар их термоЭДС суммируются, и между крайними концами термобатареи снимается сигнал большой величины.

На рис. 8.10 показаны конструкции чувствительных элементов.

Рабочие концы термоэлектрических преобразователей 1 у термоэлектрических преобразователей расположены по кругу в центре слюдяного кольца 3, а свободные закреплены с помощью тонких металлических пластин 2 на том же слюдяном кольце (а) или непосредственно с помощью слюдяных колец 3 (б). Рабочая поверхность термобатарей, на которую подается поток лучистой энергии, зачернена платиновой чернью.

а б

Р и с. 8.10. Схемы термоэлектрических датчиков пирометра полного излучения

Свободные концы термоэлектрических преобразователей термобатареи находятся обычно в тепловом контакте с корпусом первичного преобразователя (телескопа), градуировка и поверка которого производятся при температуре 20±2 °С.

При отклонениях температуры корпуса телескопа от температуры, принятой при градуировке, показания пирометра будут неправильными. Возникающие при этом дополнительные погрешности могут достигать больших значений. Для снижения этого вида погрешностей первичные преобразователи пирометров снабжаются различными устройствами температурной компенсации.

Поскольку первичные преобразователи пирометров даже при наличии температурной компенсации имеют значительные дополнительные погрешности, в промышленных условиях для снижения ошибки показаний, вызываемой нагревом корпуса первичного преобразователя, последний помещается в защитный кожух, охлаждаемый проточной водой.

При измерении температуры пирометром полного излучения наводка первичного преобразователя производится при помощи визирного устройства 4. В целях защиты глаза при наводке на излучатель, имеющий высокую температуру, перед линзой устанавливают цветное защитное стекло 5. При наводке первичного преобразователя пирометра необходимо добиться такого положения, чтобы видимое через окуляр изображение объекта полностью перекрывало отверстие диафрагмы перед термобатареей. При правильной фокусировке преобразователя пирометра рабочая поверхность термобатареи находится в центре видимого изображения. Минимальный размер излучателя, при котором изображение его полностью перекрывает отверстие диафрагмы перед термобатареей, определяется углом визирования объектов пирометрических преобразователей. Угол визирования объектов пирометрических преобразователей характеризуется значением показателя визирования, т.е. отношением диаметра круга D, вписанного в проекцию контура излучателя на плоскость, перпендикулярную оптической оси преобразователя, к расстоянию от излучателя до объектива преобразователя L, при котором изображение излучателя полностью перекрывает отверстие диафрагмы перед термобатареей.

Большинство цветовых пирометров построено на принципе сравнения интенсивности излучения (яркостей) двух узких монохроматических участков видимого спектра. Наилучшие показатели имеют пирометры, использующие для оценки интенсивностей излучения фотоэлементы, которые непрерывно измеряют температуру объекта.

Показания цветовых пирометров принципиально не зависят от расстояния до объекта измерения и от поглощения радиации в среде, заполняющей это расстояние, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн. На таком принципе построен переносной точечный пирометр Termopoint (Швеция).

Наибольшее распространение цветовые пирометры получили в металлургии для измерения температур расплавленных металлов.