§2. Термоэлектрические преобразователи (термопары)

П ринцип действия основан на возникновении термо-ЭДС в месте спая двух разнородных металлов.

А, В – проводники

(1) – горячий спай

(2) – холодный спай

E = (t) = E_tr - E_tx

Обратный эффект – эффект Плетье.

К онструктивно горячий спай защищен защитным чехлом.

Основной источник погрешности при измерении температуры с помощью термопары – это непостоянство температуры холодного спая. В лабораторных условиях холодный спай помещается в сосуд Дюара.

Для компенсации изменения температуры холодных спаев используются мостовые схемы.

– схема компенсации изменения температуры холодного спая, активный элемент R_t расположен вблизи холодных спаев. Компенсатор вводит соответствующую поправку в ЭДС.

Вторичные приборы, работающие с термопарой

1) Любой милливольтметр

2) Потенциометр

3) Нормирующий преобразователь – входная цепь построена по принципу милливольт-метра

§3. Бесконтактные методы

1. Тепловизоры

Это приборы и системы, которые позволяют определить не только величину температуры, но и распределение температуры по объекту с высокой точностью.

Основаны на регистрации теплового излучения объекта и ИК области объекта.

FLIR systems

Применение в ЭМ:

1) Контроль утечек тепла из магистральных и городских теплотрасс

2) Контроль утечек из магистральных трубопроводов с широкой фракцией углеводородов (ШФЛУ)

3.2. Физические основы термографии

Принцип действия основан на законах излучения абсолютно черного тела.

Закон Планка: [Вт/м²m]

W_b – спектральная плотность излучения черного тела при длине волны 

с = 310⁸ м/с – скорость света

h = 6,610^-34 Дж/с – постоянная Планка

k = 1,410^-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Закон смещения Вина: [m]

Закон Стефана-Больцмана: W_b=T² [Вт/м²]

 = 5,710^-8 – постоянная Стефана – Больцмана

Устройство тепловизоров.

Тепловой детектор – микроболометр.

Ячейка детектора (справа), как термопара,

при нагреве ее сопротивление изменяется.

В этом случае контакт с объектом отсутствует; ячейка нагревается за счет излучения предмета.

Принципиальная схема измерения

Н еобходимое условие – точный контроль температуры микроболометра.

Микроболометр в сборе.

С FPA детектора сигнал идет в АЦП (аналогово-цифровой преобразователь).

Один 14-битный АЦП на линию пикселей (всего их 320), полностью интегрированный в микросхему детектора, минимизирует риск возникновения «шумов».

Существует 2 вида тепловизоров: измерительные и неизмерительные. Измерительные позволяют получать полную тепловую картину объекта с оцифрованными значениями температуры. Неизмерительные – только цифровую картину.

Функциональная схема преобразования сигнала

К С – коммутатор сигналов

МП – микропроцессор

RS232 порт – стандартный интерфейс передачи сигнала на внешнее устройство

V_порт – порт для выхода видеосигнала

Применение тепловизоров: тепловизионные иммеджеры (кроме теплоизображения имеется сканер в ИК области в узком диапазоне длин волн).

2. Оптические пирометры

Включают: – оптику (объектив);

– один или несколько чувствительных элементов (ЧЭ). В качестве ЧЭ может быть батарея термопар (несколько соединенных последовательно термопар).

– дисплей;

– лазерный целеуказатель для выбора объекта измерений.

Используется несколько видов пирометров:

1) Пирометры с исчезающей нитью. В них определение температуры объекта производится путем сравнения температуры (цвета) объекта с цветом нити лампы накаливания, встроенной в пирометр; сравнивает человек.

2) Радиационные пирометры (пирометры полного излучения). Измерение в соответствии с законом Стефана-Больцмана, регистрируется всё, что идет от объекта. ЧЭ – батарея термопар. Недостаток – необходимость поддерживания температуры холодных спаев постоянной.

3) Пирометры спектрального отношения. Измеряется спектральная плотность при двух близких, но неодинаковых длинах волн. Позволяют измерять с высокой точностью температуру за счет снижения влияния коэффициента нечерноты при различных длинах волн.

Функциональная схема преобразования сигнала

Верхняя часть – цифровые пирометры; нижняя – аналоговые.

Ч Э – чувствительный элемент

АЦП – Аналогово-цифровой преобразователь

ЦИ – цифровой индикатор

> – усилитель

НП – нормирующий преобразователь

И – стрелочный индикатор