24.Бесконтактные методы измерения температуры:разновидности, принципы работы, области приминения.

Бесконтактные методы и средства измерений

Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения (InfraRed Instrumentation) - термометрах и измерительных преобразователях, а также в оптических (Optical) термометрах - пирометрах. Инфракрасные измерители обеспечивают измерение температур в широком диапазоне температур: -50...+5000 °С. Оптические термометры (пирометры) принципиально пригодны лишь для измерения очень высоких температур, при которых поверхность объекта уже видимо светится (+600 °С и выше). Кроме того, точность и чувствительность измерения оптическими термометрами невысоки.

Важными достоинствами ИК-термометров являются широкие диапазоны измеряемых температур, достаточно высокие точность, чувствительность и быстродействие, хорошие эксплуатационные характеристики, сравнительно невысокая стоимость. Однако не так просто реализовать основные преимущества ИК-термометров - для достоверного результата измерения требуются достаточно высокая квалификация пользователя, знание специфики ИК-измерений, определенный опыт практических обследований.

Оптическое излучение. Любое тело, обладающее температурой выше абсолютного нуля (-273 °С), имеет тепловое излучение. С ростом температуры увеличиваются амплитуда и частота колебаний молекул вещества тела. Человек своими органами чувств воспринимает тепло (осязанием) и свет (зрением). Физическая природа колебаний одна и та же (тепловая), но частота колебаний различна и зависит от конкретной степени нагретости объектов. При температуре 600... 1000 °С и выше (в зависимости от материала объекта) некоторое количество энергии тела излучается в видимой глазом части спектра.

В физике используется понятие «оптическое излучение», соответствующее электромагнитному излучению с длинами волн λ, расположенными в диапазоне 1 нм...1 мм. Этот диапазон делится на три части. Диапазон длин волн λ ультрафиолетового излучения составляет 1,0 нм...0,38 мкм. Диапазон длин волн λ видимого излучения - 0,38...0,76 мкм. Диапазон длин волн λ ИК-излучения - 0,76... 1000 мкм.

Устройство ИК-термометра. Методы и приборы бесконтактного ИК-измерения основаны на количественной оценке инфракрасного (теплового) излучения объекта. Тепловое излучение обладает практически теми же свойствами, что и видимый человеком свет: распространяется прямолинейно, способно отражаться, преломляться, проникать сквозь некоторые тела, может быть сфокусировано оптической системой линз (не обязательно прозрачных) и т. п.

На рис. 19.6 показана упрощенная структура ИК-термометра.

Рис. 19.6. Упрощенная структура ИК-термометра: 1 - объект; 2 - объектив; 3 - приемник

Тепловое излучение поверхности объекта объективом прибора фокусируется на приемник, в роли которого часто выступает термопара. ТермоЭДС термопары усиливается усилителем Ус, преобразуется аналого-цифровым преобразователем АЦП в цифровой код, который некоторое время хранится в запоминающем регистре Рг и представляется на индикаторе результатом измерения. Объектив ИК-измеритёля одновременно выполняет функцию полосового фильтра частот.

Инфракрасный измеритель может также содержать узлы связи (аналоговой или цифровой) с внешними устройствами. На рис. 19.6 показаны аналоговый АВ и цифровой ЦВ выходы. Наличие у ИК-термометра выхода аналогового сигнала, пропорционального текущему значению измеряемой температуры, позволяет подключить прибор к внешнему аналоговому самопишущему прибору или к цифровому измерительному регистратору.

Для задач длительного мониторинга применяются также ИК измерительные преобразователи. Эти устройства не имеют индикатора, их выходной аналоговый сигнал представлен пропорциональным измеряемой температуре током (например, 4...20 мА) или напряжением (например, 0... 5 В). Они предназначены для работы совместно с показывающими приборами или регистраторами в составе измерительных установок, комплексов или систем.

Интересным и перспективным направлением развития инфракрасной термометрии является тепловидение (или термовидение, или термография). Тепловизионная техника позволяет получить растровое изображение поверхности объекта - термограмму, по которой, как по фотографии, можно оценить значения температуры отдельных фрагментов поверхности.

Рис. 19.7. Цифровая регистрация температуры: 1 - ИК-преобразопатель; 2- цифровой регистратор; 3- компьютер

25

Измеряемая величина (Х) поступает на входное устройство прибора ВУ, где происходит масштабное преобразование сигнала, затем он поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), где аналоговый сигнал преобразуется в соответствующий код, который отображается в соответствующий код, который отображается в виде числового значения на цифровом отсчетном устройстве (ЦОУ). Для получения всех управляющих сигналов в цифровом приборе предусмотрено устройство управления. Входное устройство прибора устроено аналогично электронному прибору, а в некоторых конструкциях на его входе используется фильтр для исключения помех.