16.2.1 Измерение температуры

Сточки зрения генераторных преобразователей, в современном промышленном производстве, научных исследованиях, при испытаниях материалов и образцов новой техники наиболее распространенными являются измерения температуры, которые рассмотрены в разделе 14 «Измерение температуры».

В качестве примера на рисунке 16.17 изображена структурная схема одного канала измерения температуры информационно-измерительной системы, разработанной в Самарском государственном университете и предназначенной для океанологических исследований. Высокая точность измерений достигается за счет применения платиновых термометров сопротивления и тестового метода автоматической коррекции погрешностей. В данном случае используются функциональные тесты, формируемые по сопротивлению, что позволяет уменьшить погрешности всех звеньев измерительного канала, за исключением первичного преобразователя - термометра сопротивления.

Рисунок 16.17 - Структурная схема канала измерения температуры

Терморезистор R_t включен в схему неуравновешенного моста, образованного резисторами R₁-R₄, выходное напряжение которого подается на вход преобразователя напряжения в частоту ПНЧ периодического сигнала, передаваемого по проводной линии связи ЛС. На приемной стороне частота сигнала преобразуется в код N преобразователем частоты в код ПЧК, а полученный код вводится в вычислительное устройство ВУ. Применение ЧМ - сигнала практически исключает влияние параметров линий связи и обеспечивает высокую помехоустойчивость и уменьшение случайных погрешностей при интегрировании сигнала в ПЧК. Предположим, что функция преобразования измерительного канала от напряжения u на входе ПНЧ до кода N на выходе ПЧК достаточно точно описывается кусочно-линейной функцией, каждый участок которой определяется выражением N =d_oj + d_iju.

Для получения результата измерений выполняются три измерения. В первом измерении переключатели П₁ и П₂ находятся в положении 7, во втором измерении П₁ находится в положении 2, а П₂ - в положении 1, в третьем измерении П₁ и П₂ находятся в положении 2.

Результаты этих измерений можно записать в виде (16.13)

, (16.13)

где R_H = R₅+ R₆; R_э= R_t ║R₁+( R₂+ R₃) ║R₄, причем R₂= R₄; k= R₅/( R₅ +R₆)

║-знак параллельного соединения соответствующих резисторов.

Входное сопротивление ПНЧ должно быть достаточно велико по сравнению с сопротивлениями резисторов R₁- R₆ и ключей. В этом случае можно использовать электронные ключи, сопротивление R₃ берется того же порядка, что и изменение сопротивления R_t в диапазоне измеряемых температур.

Решив систему уравнений (16.13), получим (16.14)

, (16.14)

где

Анализ (16.14) показывает, что вычисленные значения R_t не содержат погрешности, вызванные нестабильностью напряжения питания моста, нелинейностью функции преобразования неуравновешенного моста, влиянием нагрузки моста на его коэффициент передачи, а также все относительно медленно меняющиеся погрешности измерительного канала. Очевидно, что точность измерения R_t определяется точностью и стабильностью сопротивлений резисторов R₁- R₆. Значение R_t по (16.14) вычисляется в ВУ, затем по известной функции преобразования термометра сопротивления вычисляется значение измеряемой температуры. При индивидуальной градуировке платиновых термометров сопротивления описанная ИИС позволяет измерять температуру с погрешностью 0,01-0,02 °С в диапазоне температур от 5 до +40 °С при длине линии связи до нескольких километров. Термоэлектрические преобразователи. При использовании термоэлектрических преобразователей (термопар) возникает необходимость измерения значения термо-ЭДС на выходе термопары. Для этой цели широко применяются милливольтметры и компенсаторы постоянного тока, шкалы которых градуируются непосредственно в градусах температуры.

В данном случае автоматическая коррекция погрешности осуществляется методом вспомогательных измерений, причем термометр сопротивления является вспомогательным измерительным преобразователем, а поправка вводится путем суммирования напряжений. При измерениях температуры широкое применение находят милливольтметры и автоматические электронные показывающие и самопишущие приборы ГСП.

В лабораторных условиях для точного измерения термо-ЭДС применяются лабораторные и образцовые компенсаторы постоянного тока с ручным уравновешиванием, имеющие более высокие классы точности (до 0,001).

Кварцевые термопреобразователи. В последние годы для измерения температур от -80 до +250°С все более широкое распространение получают кварцевые термопреобразователи, отличающиеся высокой разрешающей спо­собностью и имеющие частотный выходной сигнал, хорошо защищенный от помех и легко преобразуемый в цифровой код. В кварцевом термопреобразователе используется зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. В зависимости от ориентации среза относи­тельно осей кристалла кварца изменяются зависимость частоты преобразователя от температуры и линейность функции преобразования. Кварцевые термопреобразователи имеют высокую чувствительность (до 10³ Гц/К), высокую временную стабильность (0,02 К за год) и разрешающую способность 10^-4 - 10^-7 К, что и определяет перспективность их использования в цифровых термометрах, а применение микропроцессоров открывает возможность учета их индивидуальных нелинейных градуировочных характеристик.

Пирометры.

Рассмотренные выше методы измерения температуры относятся к контактным методам. Общим их недостатком является необходимость введения датчика в контролируемую среду, в результате чего происходит искажение исследуемого температурного поля. Кроме того, не­посредственное воздействие среды на датчик ухудшает стабильность его характеристик, особенно при высоких и сверхвысоких температурах и агрессивных средах. От этих недостатков свободны бесконтактные методы измере­ния температуры, основанные на использовании энергии излучения нагретых тел. Тепловое излучение любого тела можно характеризо­вать количеством энергии, излучаемой телом с единицы поверхности в единицу времени и приходящейся на единицу диапазона длин волн. Такая характеристика представляет собой спектральную плотность и называется спектральной светимостью или интенсивностью монохроматического излучения. Интеграл от спектральной светимости по всем длинам волн от нуля до бесконечности дает интегральную интенсивность излучения. Законы температурного излучения определены совершенно точно лишь для абсолютно черного тела. Зависимость спектральной светимости R^*_λ абсолютно черного тела от температуры и длины волны выражается формулой (16.15)

, (16.15)

где -длина волны;

Т-абсолютная температура;

с₁ и с₂ - постоянные.

В соответствии с (16.15) можно найти интегральную интенсивность излучения абсолютно черного тела, которая для видимой части спектра приближенно равна

, (16.16)

где - постоянный коэффициент.

Интенсивность излучения любого реального тела всегда меньше интенсивности абсолютно черного тела, находящегося при той же температуре. Уменьшение спектральной светимости реального тела по сравнению с абсолютно черным учитывают введением в (16.15) и (16.16) коэффициентов неполноты излучения и _λ, меньших единиц, получаем (16.17)

, (16.17)

Значения и различны для разных физических тел и зависят от состава вещества, состояния поверхности тела и других факторов.

Приборы для измерения температуры, основанные на использовании энергии излучения нагретых тел, называются пирометрами. Пирометры делятся на радиационные, яркостные и цветовые.

Радиационные пирометры используются для измерения температуры от 20 до 2500 °C, причем прибор измеряет интегральную интенсивность S излучения реального объекта. В связи с этим при определении температуры необходимо учитывать реальное значение коэффициента неполноты излучения .

На рисунке 16.18а схематически показано устройство такого пирометра.

Внутри телескопа, имеющего объектив 2 и окуляр 5, расположена термобатарея из последовательно включенных термопар 8. Рабочие концы термопар находятся на платиновом лепестке, покрытом платиновой чернью. Телескоп наводится на объект измерения так, чтобы лепесток полностью перекрывался изображением объекта 1 и вся энергия излучения воспринималась термобатареей. Термо-ЭДС термобатареи является функцией мощности излучения, а следовательно, и температуры тела. Для защиты глаза при наводке телескопа предусмотрен светофильтр 4.

Рисунок 16.18 - Пирометры

Радиационные пирометры градуируются по излучению абсолютно черного тела, поэтому неточность оценки коэффициента неполноты излучения вызывает погрешность измерения температуры. Яркостные (оптические) пирометры основаны на сравнении в узком участке спектра яркости исследуемого объекта с яркостью образцового излучателя. Принцип действия яркости пирометра поясняется на рисунке 16.18б. В этом пирометре яркость исследуемого тела сравнивается с яркостью нити фотометрической лампы 4. Фотометрическая лампа встроена в телескоп, имеющий объектив 2 и окуляр 5. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело 1 и добиваются четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости. Затем, изменяя яркость нити путем изменения тока через нее (или изменяя яркость изображения тела с помощью перемещаемого оптического клина), добиваются одинаковой яркости изображений нити и исследуемого объекта. Если яркость тела больше яркости нити, то нить видна в виде черной линии на ярком фоне. В противном случае заметно свечение нити на более бледном фоне. При равенстве яркостей нить не видна, поэтому такие пирометры иногда называют пирометрами с исчезающей нитью. Напряжение накала лампы (или положение оптического клина) характеризует температуру нагретого тела. Чтобы интенсивности излучения сравнивались в узком участке спектра, применен светофильтр 6.

Яркостные пирометры обеспечивают более высокую точность измерений температуры, чем радиационные. Их основная погрешность обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел и поглощением излучения про­межуточной средой, через которую производится наблюдение. Яркостный пирометр типа «Проминь» предназначен для измерения яркостной температуры в пределах 800 - 4000 °С. Диапазоны измерений прибора: 800-1400 °С, 1200-2000 °С и 1800-4000 °С с основной погрешностью измерения соответственно ± 12, ± 20 и ± (50-90) °С. Цветовые пирометры основаны на измерении отношения интенсивностей излучения на двух длинах волн, выбираемых обычно в красной или синей областях спектра.

Для видимой части спектра .

С учетом этого запишем спектральные светимости реального тела для двух длин волн и в виде (16.18)

, (16.18)

Формулы (16.18) приближенные, но их погрешность для области видимых лучей и температур до 2600 °С не превышает 1 %.

Отсюда можно выразить искомую температуру в виде формулы (16.19)

, (16.19)

Для вычисления температуры необходима априорная информация о значениях , , и . В то же время если = , то неполнота излучения исследуемого объекта не вызывает погрешности измерения температуры. Это одно из главных преимуществ цветовых пирометров. Кроме того, показания цветовых пирометров принципиально не зависят от расстояния до объекта измерения, а также от поглощения излучения в промежуточной среде, если коэффициенты поглощения одинаковы для обеих длин волн.

Обычно цветовой пирометр содержит один канал измерения интенсивности монохроматического излучения со сменными светофильтрами. Недостатком таких приборов является их относительная сложность. В качестве примера можно привести цветовой пирометр типа «Спектропир-6», работающий в диапазоне температур 900-2200 °С с ос­новной погрешностью ± 1 %.

Новые типы средств измерения температуры.

В последние годы находят практическое применение новые типы средств измерения температуры, основанные на использовании различных физических явлений. К ним относятся шумовые термометры, ядерные квадрупольные и ядерные магнитные резонансные термометры, акустические термометры. Такие термометры используются главным образом при измерениях низких температур.

Для измерений температуры в диапазоне 4-1300 К применяют шумовые термометры, действие которых основано на зависимости шумового напряжения на резисторе от температуры. Эта зависимость определяется формулой Найквиста (16.20)

U_ш² =4KTR f, (16.20)

где U_ш² - средний квадрат напряжения шума;

К - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура;

R-сопротивление резистора;

f - полоса воспринимаемых частот.

Практическая реализация метода заключается в сравнении шумов двух идентичных резисторов, один из которых находится при известной температуре, а другой - при измеряемой. Достоинством шумовых термометров является принципиальная возможность измерения термодинамической температуры на основе физической закономерности (16.20). Однако выходной параметр-среднее квадратическое значение напряжения шумов - очень трудно измерять точно вследствие его малости и сопоставимости с уровнем шума усилителя. Так, при температуре 300 К и сопротивлении 100 Ом при ширине полосы пропускания усилителя 100 кГц измеряемое напряжение составляет 4ּ10⁷ В. Термометры ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) основаны на взаимодействии градиента электрического поля кристаллической решетки и квадрупольного электрического момента ядра, вызванного отклонением распределения заряда ядра от сферической симметрии. Это взаимодействие обусловливает прецессию ядер, частота которой (частота ЯКР) зависит от градиента электрического поля решетки и для различных веществ имеет значения от сотен килогерц до тысяч мегагерц. Градиент электрического поля решетки зависит от температуры, и с повышением температуры частота ЯКР понижается.

Датчик ЯКР - термометра представляет собой ампулу с веществом, помещенную внутрь катушки индуктивности, включенной в контур генератора. При совпадении частоты генератора с частотой ЯКР происходит поглощение энер­гии от генератора. Погрешность измерения температуры 10 К составляет ±0,02 К, а температуры 300 К ± 0,002 К. Достоинством ЯКР - термометра является его неограниченная во времени стабильность, а недостатком - нелинейность функции преобразования. Термометры, использующие явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), менее распространены, чем ЯКР - термометры, но, по-видимому, не менее перспективны, особенно для измерения низких температур. Сообщается о создании прецизионного ЯМР - термометра для измерения температур от 1 мК до 1 К. Амплитуда сигнала ЯМР - термометра и период релаксации обратно пропорциональны абсолютной температуре.

Акустические термометры основаны на зависимости скорости распространения звука в газах от их температуры. Акустический термометр содержит пространственно разнесенные излучатель акустических волн и их приемник, обычно включаемые в цепь автогенератора, частота колебаний которого меняется с изменением температуры. В акустических термометрах могут использоваться различного типа резонаторы. Акустические термометры находят применение в диапазоне средних и высоких температур.