Методы и средства измерений и контроля. Учебное пособие для самостоятельной работы студентов направления подготовки 27.03.01 – Стандартизация и метрол
.pdfзоне частот 40–1 • 105 Гц, и государственный специальный эталон, воспроизводящий напряжение 0,1–10 В в диапазоне частот 20¸3 × 107 Гц.
Рабочими средствами измерений переменных токов и напряжений являются амперметры (микро-, милли-, килоамперметры), вольтметры (микро-, милли-, киловольтметры), компенсаторы переменного тока, универсальные и комбинированные приборы, а также регистрирующие приборы и электронные осциллографы. При измерении переменных токов и напряжений могут измеряться их действующие, амплитудные, средние выпрямленные, средние и мгновенные значения.
В практике электрических измерений чаще всего приходится измерять синусоидальные переменные токи и напряжения, которые характеризуются действующим значением. Поэтому подавляющее большинство средств измерений переменных токов и напряжений градуируются в действующих значениях для синусоидальной формы кривой тока или напряжения.
7.2. Измерение сопротивления и диэлектрической проницаемости текстильных материалов
Можно отметить, что без знаний диэлектрической проницаемости, сопротивления, поляризуемости и электрической прочности волокон и текстильных материалов невозможно осуществит многие технологические процессы. Развитие методов измерений позволяют качественно и количественно оценить и измерить некоторые из указанных электрических характеристик.
Электризуемость имеет поверхностный эффект, обусловленный взаимодействием (трением) материала о поверхность при изготовлении изделия. Электризуемость существенно зависит от внешних условий: влажности, скорости перемещения нити, загрязнения, удельного сопротивления материала и ионизации атмосферы. Заряд, скопившийся на внешней поверхности материала, вызывает прилипание материала к телу, повышая загрязняемость. Для снятия поверхностного заряда применяют различные составы, пропитывающие ткань.
Измерение поверхностной плотности заряда осуществляют измерением напряжённости электрического поля или по оценке взаимодействия поверхностного заряда с внешними зарядами. Наиболее точным методом измерения плотности поверхностного заряда является измерение сопротивления материала.
Все текстильные материалы и волокна являются диэлектирками, сопротивление которых лежит в диапазоне R ≈ 108 ― 1013 Ом. Через диэлектрики ток не протекает, так как в них отсутствуют свободные заряды. Поэтому в результате наличия поверхностной плотности заряда существуют поверхностные токи, но они настолько малы, что электроизмерительные приборы их не фиксируют.
Поверхностная плотность заряда может создать разность потенциалов на пластинах конденсатора и по времени стекания зарядов можно определить сопротивление.
Реализация такого способа осуществлена с помощью ёмкостного метода. Диэлектрическая проницаемость определяется резонансным методом. Суть этого метода состоит в том, что определяют момент, когда частота внешних элек-
41
тромагнитных колебаний совпадает с собственной частотой колебательного контура. Контур состоит из индуктивности и ёмкости, содержащий в качестве диэлектрика исследуемый материал.
8. Температурные шкалы и методы измерения температуры. Тепловые свойства текстильных материалов
Существует несколько градуированных температурных шкал, и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Сейчас самой распространенной в мире является шкала Цельсия. В 1742 шведский астроном Андерс Цельсий предложил 100-градусную шкалу термометра, в которой за 0 градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении, а за 100 градусов – температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы. Когда стали использовать термометры, оказалось удобнее поменять местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал Карл Линней, который преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где Цельсий – астрономию в 1838 году.
Линей предложил за 0 температуры принять температуру плавления льда, так называемую тройную точку воды. При 0 градусов вода существует в трёх агрегатных состояниях: кристаллическом, жидком и парообразном (газ). Но он, похоже, не додумался до второй реперной точки. Цельсий предложил принять за вторую реперную точку – двойную точку воды, т. е. 100 градусов, при которых вода существует в двух агрегатных состояниях – жидкость и газ (пар).
К настоящему времени шкала Цельсия несколько изменилась: за 0 °C попрежнему принята температура таяния льда при нормальном давлении, которая от давления не очень зависит. Зато температура кипения воды при атмосферном давлении теперь равна 99,975 °C, что не отражается на точности измерения практически всех термометров, кроме специальных прецизионных. Известны также температурные шкалы Фаренгейта, Кельвина, Реомюра и др.
Температурная шкала Фаренгейта (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имеет три фиксированные точки: 0° соответствовал температуре смеси воды, льда и нашатыря, 96° – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда.
Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула F = (9/5) °C + 32, а для обратного перевода – формула °C = (5/9) (°F-32). Обе шкалы – как Фаренгейта, так и Цельсия – весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю – точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая – абсолютной термоди-
42
намической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°Rа) и Кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7° R и 273,16 K.
Число градусов Кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в Кельвины по формуле K = °C + 273,16, а градусы Фаренгейта – в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459,7.
В Европе долгое время была распространена шкала Реомюра, введённая в
1730 г. Рене Антуаном де Реомюром. Она построена не произвольным образом, как шкала Фаренгейта, а в соответствии с тепловым расширением спирта (в отношении 1000 : 1080). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R), т. е. 1°R = 1.25 °С, 1 °C = 0.8°R, но в настоящее время вышла из употребления.
После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала – термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К) – одна из основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия.
Вторая рекомендованная температурная шкала – международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек – температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.
В настоящее время основной реперной точкой как термодинамической шкалы, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. При этом, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273.16 К при давлении 609 Па.
Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина – легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.
43
8.1. Термометры
Решающий вклад в развитие конструкции термометров внёс немец Габриэль Даниэль Фаренгейт. В 1709 году он изобрёл спиртовой термометр, а в 1714 – ртутный. Он придал им ту же форму, что применяется и сейчас. Успех его термометров следует искать во введенном им новом методе очищения ртути; кроме того, перед запаиванием он кипятил жидкость в трубке. Рене Антуан де Реомюр не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 г. он предложил применять в термометрах спирт, а в 1731 году изобрёл водно-спиртовой термометр. И поскольку Реомюр нашел, что применяемый им спирт, смешанный в пропорции 5 : 1 с водой, расширяется в отношении 1000 : 1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, то предложил шкалу от 0 до 80°.
Интересны некоторые исторические сведения об учёных, которые разрабатывали температурные шкали и приборы, измеряющие температуру.
Андерс Цельсий. Андерс Цельсий (Anders Celsius) родился 27 ноября 1701 года в Швеции. Область его интересов: астрономия, общая физика, геофизика. Преподавал в Упсальском университете астрономию, основал там астрономическую обсерваторию. Цельсий первым измерил яркость звезд, установил взаимосвязь между северным сиянием и колебаниями в магнитном поле Земли. Он принимал участие в Лапландской экспедиции 1736–1737 годов по измерению меридиана. По возвращении из полярных областей Цельсий начал активную работу по организации и строительству астрономической обсерватории в Упсале и в 1740 году стал ее директором. Умер Андерс Цельсий 25 марта 1744 года. В честь него назван минерал цельзиан – разновидность бариевого полевого шпата.
Габриэль Фаренгейт. Даниэль Габриэль Фаренгейт (Daniel Gabriel Fahrenheit) – немецкий физик. Родился 24 мая 1686 в Данциге (ныне Гданьск, Польша). Изучал физику в Германии, Голландии и Англии. Почти всю жизнь прожил в Голландии, где занимался изготовлением точных метеорологических приборов. В 1709 году изготовил спиртовой, в 1714 – ртутный термометр, использовав новый способ очистки ртути. Для ртутного термометра Фаренгейт построил шкалу, имеющую три реперные точки: 0° соответствовал температуре смеси вода – лед – нашатырный спирт, 96° – температуре тела здорового человека, а в качестве контрольной температуры было принято значение 32° для точки таяния льда.
Температура кипения чистой воды по шкале Фаренгейта составила 212°. Шкала Фаренгейта применяется во многих англоязычных странах, хотя постепенно уступает место шкале Цельсия. Помимо изготовления термометров, Фаренгейт занимался усовершенствованием барометров и гигрометров. Исследовал также зависимость изменения температуры кипения жидкости от атмосферного давления и содержания в ней солей, обнаружил явление переохлаждения воды, составил таблицы удельных весов тел. Умер Фаренгейт в Гааге 16 сентября 1736 года.
44
Рене Реомюр. Рене Антуан де Реомюр (Rene Antoin de Reaumur) родился 28 февраля 1683 года в Ла-Рошель, французский естествоиспытатель, иностранный почетный член Петербургской АН (1737).
Оставил труды по регенерации, физиологии, биологии колоний насекомых. Предложил температурную шкалу, названную его именем. Усовершенствовал некоторые способы приготовления стали, один из первых попытался научно обосновать некоторые процессы литья, написал работу "Искусство превращения железа в сталь". Пришел к ценному выводу, что железо, сталь, чугун различаются по количеству некоторой примеси, и добавлял эту примесь к железу путем цементации или сплавления с чугуном. Реомюр получал сталь. В 1814 году К. Каретен доказал, что этой примесью является углерод. Реомюр дал способ приготовления матового стекла.
Сегодня память связывает его имя только лишь с изобретением долго использовавшейся температурной шкалы. На самом же деле Рене Антуан Фершант де Реомюр, живший в 1683 – 1757 годах, главным образом, в Париже, относился к тем учёным, универсальность которых в наше время – время узкой специализации – трудно себе представить. Реомюр был одновременно техником, физиком и естествоиспытателем. Большую известность за пределами Франции он приобрёл как энтомолог. В последние годы своей жизни Реомюр пришёл к идее, что поиски таинственной преобразующей силы следует вести в тех местах, где её проявление наиболее очевидно – при преобразовании пищи в организме, т. е. при её усвоении. Скончался 17 октября 1757 года в замке Бермовдьер близ Сен-Жюльен-дю-Терру (Майенн).
Уильям Ранкин. Уиильям Джон Макуорн Ранкин (Ренкин) – William John M. Rankine (1820–72), шотландский инженер и физик, один из создателей технической термодинамики. Предложил теоретический цикл парового двигателя (цикл Ранкина), температурную шкалу (шкала Ранкина), нуль которой совпадает с нулем термодинамической температуры, а по размеру 1 град Р. (°R) равен 5/9 К.
8.2. Методы измерения температуры
Существуют два основных способа для измерения температур – контактные и бесконтактные. Контактные способы основаны на непосредственном контакте измерительного преобразователя температуры с исследуемым объектом, в результате чего добиваются состояния теплового равновесия преобразователя и объекта. Этому способу присущи свои недостатки. Температурное поле объекта искажается при введении в него термоприемника.
Температура преобразователя всегда отличается от истинной температуры объекта. Верхний предел измерения температуры ограничен свойствами материалов, из которых изготовлены температурные датчики. Кроме того, ряд задач измерения температуры в недоступных вращающихся с большой скоростью объектах не может быть решен контактным способом.
Бесконтактный способ основан на восприятии тепловой энергии, передаваемой через лучеиспускание и воспринимаемой на некотором расстоянии от
45
исследуемого объема. Этот способ менее чувствителен, чем контактный. Измерения температуры в большой степени зависят от воспроизведения условий градуировки при эксплуатации, а в противном случае появляются значительные погрешности. Устройство, служащее для измерения температуры путем преобразования ее значений в сигнал или показание, называется термометром (ГОСТ 13417-76).
По принципу действия все термометры делятся на следующие группы, которые используются для различных интервалов температур:
1)термометры расширения от -260 до +700 °С, основанные на изменении объемов жидкостей или твердых тел при изменении температуры;
2)манометрические термометры от -200 до +600 °С, измеряющие температуру по зависимости давления жидкости, пара или газа;
3)термометры электрического сопротивления стандартные от -270 до +750 °С, преобразующие изменение температуры в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников;
4)термоэлектрические термометры (или пирометры), стандартные от -50 до +1800 °С, в основе преобразования которых лежит зависимость значения электродвижущей силы от температуры спая разнородных проводников;
5)пирометры излучения от 500 до 10 000 °С, основанные на измерении температуры по значению интенсивности лучистой энергии, испускаемой нагретым телом;
6)термометры, основанные на электрофизических явлениях от -272 до +1000 °С термошумовые, термоэлектрические преобразователи, объемные резонансные термопреобразователи, ядерные резонансные.
Для определения значения температуры какого-либо тела необходимо выбрать эталон температуры, то есть тело, которое при определённых условиях, равновесных и достаточно легко воспроизводимых, имело бы определённое значение температуры. Это значение температуры является реперной точкой соответствующей шкалы температур – упорядоченной последовательности значений температуры, позволяющей количественно определять температуру того или иного тела. Температурная шкала позволяет косвенным образом определять температуру тела путем прямого измерения какого-либо его физического параметра, зависящего от температуры.
Введенную в 1742 году температурную шкалу Цельсия, который предложил температурный интервал между температурами таяния льда и кипения воды при нормальном давлении (1 атм или 101 325 Па) разделить на сто равных частей (градусов Цельсия), широко используют и сегодня, правда в уточненном виде, когда один градус Цельсия считается равным одному Кельвину. При этом температура таяния льда берется равной 0 °C, а температура кипения воды становится приблизительно равной 99,975 °C.
Возникающие при этом поправки, как правило, не имеют существенного значения, так как большинство используемых спиртовых, ртутных и электронных термометров не обладают достаточной точностью (поскольку в этом обычно нет необходимости). Это позволяет не учитывать указанные, очень небольшие поправки.
46
После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы две температурные шкалы. Первая шкала – термодинамическая, которая не зависит от свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно. Эта температурная шкала подробно рассмотрена в третьем разделе. Отметим только, что единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин (1 К), одна из семи основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона – лорда Кельвина (1824–1907), который разрабатывал эту шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в температурной шкале Цельсия.
Вторая рекомендованная температурная шкала – международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек – температуры фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной практической шкале также является 1 К.
В настоящее время основной реперной точкой как термодинамической, так и международной практической шкалы температур является тройная точка воды. Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления, при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях, причем, если состояние термодинамической системы определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной 273,16 К при давлении 609 кПа.
Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры, необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко воспроизводимо, а физическая величина – легко измеряемой. Измерение указанной физической величины позволяет получить набор температурных точек (и соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к реперным точкам.
Тело, с помощью измерения термометрического признака которого осуществляется измерение температуры, называется термометрическим телом. Термометрическими признаками могут быть изменения: объёма газа или жидкости, электрического сопротивления тел, разности электрического потенциала на границе раздела двух проводящих тел и т. д. Соответствующие этим признакам приборы для измерения температуры (термометры) будут: газовый и ртутный термометры, термометры, использующие в качестве датчика термосопротивление или термопару.
Приводя термометрическое тело (датчик термометра) в состояние теплового контакта с тем телом, температуру которого необходимо измерить, можно на основании нулевого начала термодинамики утверждать, что по прошествии времени, достаточного для установления термодинамического равновесия, их
47
температуры сравняются. Это позволяет приписать телу то же значение температуры, которое показывает термометр.
Первый термометр был изобретён Галилео Галилеем (1564–1642) и представлял собой газовый термометр.
Газовый термометр постоянного объёма состоит из термометрического тела – порции газа, заключенной в сосуд, соединенный с помощью трубки с U-образным манометром. В этом термометре измеряемой физической величиной, термометрическим признаком, обеспечивающим определение температуры, служил фиксированный объём. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки), и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т. д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.
Газовые термометры имеют то преимущество, что температура, определяемая с их помощью, при малых плотностях газа не зависит от природы используемого газа, а шкала газового термометра хорошо совпадает с абсолютной шкалой температур.
Газовые термометры используют для градуировки других видов термометров, например, жидкостных. Они более удобны на практике, однако, шкала жидкостного термометра, проградуированного по газовому, оказывается, как правило, неравномерной. Это связано с тем, что плотность жидкостей нелинейным образом зависит от их температуры. Например, максимальное значение плотности воды – 1000 кг/м3 соответствует температуре 277,16 К.
Жидкостные термометры наиболее часто используются в обыденной жизни. Принцип работы таких термометров основан на изменении объёма жидкости при изменении её температуры, но диапазон измерений ограничен температурами замерзания и кипения жидкости.
В ртутно-стеклянном термометре термометрическим телом является ртуть, помещенная в стеклянный баллон с капилляром.
Термометрическим признаком является расстояние от мениска ртути в капилляре до произвольной фиксированной точки. Ртутные термометры используют в диапазоне температур от -35 °C до нескольких сотен градусов Цельсия. При высоких температурах (свыше 300 °C) в капилляр накачивают азот (давление до 100 атм или 107 Па), чтобы воспрепятствовать кипению ртути. Применение в жидкостном термометре вместо ртути таллия позволяет существенно понизить нижнюю границу измерения температуры до -59 °C.
Другими видами широко распространённых жидкостных термометров являются спиртовой (от -80 °C до +80 °C) и пентановый (от -200 °C до +35 °C). Отметим, что воду нельзя применять в качестве термометрического тела в жидкостном термометре: объём воды с повышением температуры сначала падает, а
48
потом растёт, что делает невозможным использование объема воды в качестве термометрического признака.
С развитием измерительной техники, наиболее удобными техническими видами термометров стали те, в которых термометрическим признаком является электрический сигнал. Это термосопротивления (металлические и полупроводниковые) и термопары.
Вметаллическом термометре измерение температуры основано на зависимости изменения сопротивления металла в зависимости от температуры. Для большинства металлов вблизи комнатной температуры эта зависимость близка
клинейной, а для чистых металлов относительное изменение их сопротивления при повышении температуры на 1 К имеет величину близкую к 4 · 10-3 1/К, что соответствует температурному коэффициенту многих металлов.
Термометрическим признаком является электрическое сопротивление термометрического тела – металлической проволоки. Чаще всего используют платиновую проволоку, а также медную проволоку или их различные сплавы. Диапазон применения таких термометров от водородных температур (~20 К) до сотен градусов Цельсия.
При низких температурах в металлических термометрах зависимость сопротивления от температуры становится существенно нелинейной, и термометр требует тщательной калибровки.
Вполупроводниковом термометре сопротивление (термисторе) измерения температуры основано на явлении уменьшения сопротивления полупроводников с ростом температуры. Так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников по абсолютной величине может значительно превосходить соответствующий коэффициент металлов, то и чувствительность таких термометров может значительно превосходить чувствительность металлических термометров.
Специально изготовленные полупроводниковые термосопротивления могут быть использованы при низких (гелиевых) температурах порядка нескольких кельвин. Однако следует учитывать то, что в обычных полупроводниковых сопротивлениях возникают дефекты, обусловленные воздействием низких температур. Это приводит к ухудшению воспроизводимости результатов измерений и требует использования в термосопротивлениях, специально подобранных полупроводниковых материалов.
Другой принцип измерения температуры реализован в термопарах. Термопара представляет собой электрический контур, спаянный из двух различных металлических проводников, один спай которых находится при измеряемой температуре (измерительный спай), а другой (свободный спай) – при известной температуре, например, при комнатной температуре. Из-за разности температур спаев возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС), измерение которой позволяет определять разность температур спаев, а следовательно, температуру измерительного спая. В таком термометре термометрическим телом является спай двух металлов, а термометрическим признаком – возникающая в цепи термо-ЭДС.
49
Чувствительность термопар составляет от единиц до сотен мкВ/К, а диапазон измеряемых температур – от нескольких десятков кельвин (температуры жидкого азота) до полутора тысяч градусов Цельсия. Для высоких температур применяются термопары из благородных металлов. Наибольшее применение нашли термопары на основе спаев следующих материалов: медь-константан, железо-константан, хромель-алюмель, платинородий-платина.
Следует отметить, что термопара способна измерить только разность температур измерительного и свободного спаев. Свободный спай находится, как правило, при комнатной температуре. Поэтому для измерения температуры термопарой необходимо использовать дополнительный термометр для определения комнатной температуры или систему компенсации изменения температуры свободного спая.
В радиотехнике часто применяют понятие шумовой температуры, равной температуре, до которой должен быть нагрет резистор, согласованный с входным сопротивлением электронного устройства, чтобы мощность тепловых шумов этого устройства и резистора были равными в определенной полосе частот.
Возможность введения такого понятия обусловлена пропорциональностью средней мощности шума (среднего квадрата шумового напряжения на электрическом сопротивлении) абсолютной температуре сопротивления. Это позволяет использовать шумовое напряжение в качестве термометрического признака для измерения температуры. Шумовые термометры используются для измерения низких температур (ниже нескольких кельвинов), а также в радиоастрономии для измерения радиационной (яркостной) температуры космических объектов.
8.3. Бесконтактный метод измерения температуры
Thermopiles – это термоэлементы, включенные последовательно, которые используют известный Seebeck-эффект. Термоэлемент состоит из двух электропроводных материалов, которые расположены в виде проводящих дорожек и которые в одной точке (так называемой hot junction) контактируют друг с другом. Если за счет внешнего воздействия возникнет разница температур между точкой контакта (hot junction) и обеими открытыми концами (cold junction), то на обоих концах термоэлементов появится напряжение в несколько милливольт.
При бесконтактном способе измерения температуры повышение температуры точки hot junction вызывается за счет абсорбирования попадающего в эту точку инфракрасного излучения. Каждый объект излучает инфракрасный свет, причем энергия этого света повышается с повышением температуры объекта. Базируясь на этом эффекте, Thermopile-модули измеряют излучаемую мощность и таким образом с высокой точностью определяют температуру объекта.
Другой метод измерения температуры реализован в пирометрах – приборах для измерения яркостной температуры тел по интенсивности их теплового излучения. При этом достигается равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из самого пирометра и теплового излучения, принимаемого им. Подробнее это явление рассмотрено в разделе курса, посвящённом кван-
50