Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
колебания кристаллической решетки. Увеличивается и рассеяние
свободных электронов на этих колебаниях, поэтому растет
электросопротивление.
При низких частотах чувствительность имеет вид
S = H(0) = αRQR(T0)
Современные болометры на основе металлов состоят из
тонких слоев золота, платины или никеля, напыленных на подложку.
Высокой чувствительностью обладают полупроводниковые
болометры (термисторы), поскольку у полупроводников
температурный коэффициент сопротивления существенно выше,
чем у металлов. Сопротивление полупроводников падает с ростом
температуры и зависит от температуры нелинейно, поскольку, чем
выше температура, тем больше электронов оказывается в их зоне
проводимости. Величина α для нормальных полупроводников
неплохо описывается соотношением
1/R.dR/dT = const/T2
α =
Из этого выражения следует, что для повышения
чувствительности болометра следует охлаждать его до низких
температур. В настоящее время разработан целый ряд
полупроводниковых болометров с рабочей температурой Т0 = 4,2 К и
менее. Максимальные значения чувствительности таких приборов
составляют более 107 В/Вт. Существуют и сверхпроводящие
болометры. В этих приборах используется резкое изменение
сопротивления в переходной области от обычного состояния к
сверхпроводящему.
Болометры в зависимости от их конструкции можно
использовать для измерения мощности электромагнитного излучения
в интервале от видимой области спектра до микроволновой. В
последнее время спектральная область применения болометров
расширилась до мягких рентгеновских лучей и вакуумного
ультрафиолета.
Радиометры. Измерительные приборы, в которых измеряется
интегральное тепловое излучение и для определения температуры
используется закон Стефана-Больцмана называют радиометрами.
Схема, поясняющая принцип действия радиометра, приведена на рис
32.
101
Рисунок 32 - Регистрация температуры радиометром
Участок поверхности, температуру которого измеряют,
визуализируют на поверхности термочувствительного приемника,
преобразующего изменение температуры в электрический сигнал.
Градуировка радиометра производится по сигналу от поверхности,
температура которой измерена другими методами.
Каждый радиометр имеет коротковолновую и длинноволновую
границы чувствительности. По этой причине температура, измеренная
радиометром, будет отличаться от термодинамической температуры,
измеряемой контактными термометрами. В термометрии существует
понятие радиационной температуры, которая по закону СтефанаБольцмана равна:
λ
2
λ
1
,
λλϕ∫λωσ=
d)()(T
где а - постоянная Стефана-Больцмана, ω(λ) - спектральное
распределение падающего на радиометр излучения, λ, и λ2 коротковолновая и длинноволновая границы чувствительности
фотоприемника, φ(λ) - спектральная относительная чувствительность
фотоприемника.
Температуру объектов, излучающих в видимой области спектра,
например, нитей накаливания ламп, пламен, раскаленных предметов и
т п. измеряют яркомерами или пирометрами.
Пироэлектрические детекторы Пироэлектрический эффект
известен уже давно, однако для измерения потоков электромагнитных
волн его используют лишь в последние десятилетия. Датчик
представляет собой сегнетоэлектрический кристалл или керамику.
Структура кристаллической решетки этих веществ такова, что они
могут обладать постоянной электрической поляризацией Ре. Н
агрев
102
кристалла приводит к его расширению, а следовательно, к изменению
поляризации. Это изменение характеризуется пироэлектрической
константой р:
р(Т) =d Ре//dT
Такое изменение поляризации можно легко измерить,
используя сегнетоэлектрический кристалл в качестве
диэлектрического промежутка в конденсаторе. Если А — площадь
сечения конденсатора, то при поляризации на пластинах конденсатора
появляется электрический заряд Qe = PeA, а ток при изменении
поляризации равен
I = dQe/dT = A dPe/dT dT/dt = р(T)А dT/dt
В пироэлектрических детекторах в качестве рабочих
материалов обычно используют триглицинсульфат, LiTaO3 или
спеченные керамики титаната циркония, свинца или ниобата бария и
стронция. Высокие значения чувствительности получаются при малой
теплоемкости, большом пироэлектрическом коэффициенте и высоком
рабочем сопротивлении материала. В ИК области спектра
пироэлектрические детекторы обладают наиболее высокой
чувствительностью по сравнению со всеми другими неохлаждаемыми
детекторами. Их используют как быстрые детекторы для
интенсивного лазерного излучения с полосой частот до 1 ГГц (при
этом их чувствительность сильно понижена). Пироэлектрические
детекторы применяют также для измерения энергии импульсного
излучения в спектральном интервале от 1 нм до 1 мм.
Пирометры подразделяют на визуальные и с фотоэлектрической
регистрацией. В последнем варианте они измеряют не только
температуру, но и яркость Схема визуального пирометра с исчезающей
нитью приведена на рис. 33.
103
Рисунок 33 - Пирометр с исчезающей нитью
Тян - яркостная температура нити накаливания пирометра,
Тял - яркостная температура тела накаливания лампы, Вн - яркость
нити пирометра, Вл - яркость тела накала лампы
В таком пирометре оператор визуально фиксирует момент
совпадения яркости изображения измеряемого объема и нити
накаливания, встроенной в пирометр. Изменяя реостатом, ток через нить
накаливания, добиваются выравнивания яркости. Этот момент
фиксирует человеческий глаз достаточно точно. Прибор градуируется
по току, проходящему через реостат.
Очевидно, что в пирометре также фиксируется температура, не
совпадающая с термодинамической. Точное совпадение показаний
пирометра с термодинамической температурой имеет место только
для абсолютного черного тела. Яркость объекта и распределение
энергии по спектру могут не совпадать с кривой, описываемой законом
Планка. По этой причине температуру, измеряемую пирометром с
исчезающей нитью, называют яркостной.
Если в приборе, собранном по схеме, изображенной на рис 33
вместо окуляра установить фотоэлектрический приемник
(фотоэлемент, фотодиод или фотоумножитель), - то такое
измерительное устройство будет регистрировать световой поток,
распределяющийся в определенном телесном угле. Площадь
визируемого участка также можно зафиксировать, например,
диафрагмой. В этом случае прибор будет измерять силу света объекта с
104
единичной поверхности (яркость). Такие оптические приборы
называются яркомерами.
Существует еще одно понятие в неконтактной термометрии цветовая температура. Почти все источники света могут
характеризоваться длиной волны, на которой наблюдается максимум
энергии излучения. Спектральное распределение излучения может не
соответствовать формуле Планка (6), однако в любом случае
температуру можно определить, воспользовавшись законом Вина (7).
Если в светотехнике указывается цветовая температура, это означает,
что максимум энергии излучения данного источника совпадает с
максимумом энергии излучения абсолютно черного тела с такой
температурой. В качестве примера приведем значения цветовой
температуры для наиболее часто встречающихся источников света
(табл. 5).
Таблица 5 – Цветовая температура источников света
Тип источника
света
Источник типа А
Источник типа В
Источник типа С
Источник типа D
D65
D50
Светящийся объект
Лампа накаливания
Прямое солнечное излучение
Рассеянное солнечное излучение
Лампы дневного света-
люминесцентные лампы
Цветовая
температура, К
2850
5460
5770
6500
5000
Пироэлектрический видикон представляет собой пластину
пироэлектрического материала толщиной около 10 мкм. Этот прибор
используют для получения изображений в инфракрасной области от 1
до 30 мкм. Модулированное излучение вызывает локальные
изменения поляризации, которые измеряются с помощью
электронного пучка и преобразуются в видеосигнал.
Ячейка Голея Ячейка Голея (1947 г.) представляет собой
пневматический приемник излучения. Поглощение излучения в
небольшом датчике, помещенном в объем газа, приводит к разогреву
этого газа и повышению давления. Голей использовал для измерения
давления прогиб мембраны, на которой было закреплено зеркало.
Перемещение мембраны фиксировалось по отражению пучка света. В
105
настоящее время емкостный способ позволяет измерять прогиб
мембраны по изменению емкости конденсатора, который образуют
мембрана ячейки и другая неподвижная твердая пластинка. Область
спектра, в которой могут работать такие пневматические датчики,
простирается от видимого света до длин волн порядка нескольких
миллиметров.
Прочие чувствительные элементы с изменяющимся
сопротивлением
Угольные чувствительные элементы предназначены для
измерения давления (чувствительные элементы контактного
сопротивления) состоят из собранных в столбики угольных дисков.
При изменении давления, действующего на диски, изменяется
контактное сопротивление между ними. Зависимость сопротивления
от нагрузки обладает гистерезисом от 1 до 3 %. Угольные
чувствительные элементы конструктивно просты, допускают
значительные перегрузки и обладают мощным выходным сигналом,
не требующим последующего усиления, а также хорошими
динамическими свойствами (граничная частота ~30 кГц).
Погрешность измерения составляет 3—5 %, вследствие чего эти
чувствительные элементы применяют для решения простых
измерительных задач.
Термоанемометры. Проводник, обладающий сопротивлением
о которому протекает ток I, рассеивает в единицу времени при
R, п
стационарных условиях тепловую энергию, равную Q = I2R (Дж/с,
Вт). При постоянной скорости потока, обтекающего проводник,
устанавливается определенная разность температур проводника и
окружающей среды. Изменение скорости потока, а также температуры
окружающей среды вызывает изменение температуры проводника,
влияющее на его сопротивление. В основном термоанемометрические чувствительные элементы применяют для
измерения скоростей потоков, определения их направления, а также
для динамических измерений температур.
Тепловые первичные преобразователи
Передача тепла между двумя точками с различной температурой
происходит тремя путями: конвекцией, излучением и теплопроводностью.
106
При конвекции передача тепла связана с переносом материи; передача
xFdt
∆
тепла излучением происходит без участия материи. Передача тепла
теплопроводностью происходит вследствие соударения молекул.
Коэффициент теплопроводности λ зависит только от вида вещества,
передающего тепло. Он является специфической характеристикой вещества и определяется из уравнения
Q = -λFt
∆
,
xT∆
где Q - количество тепла, передаваемого за время t через площадь F с
градиентом температур ∆T/∆x; (x перпендикулярен площади F). Знак
минус означает, что тепло передается от нагретого тела к более
холодному.
В дифференциальной форме
dQ
λ
T
∆
=−
Это уравнение похоже на закон Ома для электрического тока,
где dQ/dt является потоком тепла, ∆T соответствует разности потенциалов.
Величину ∆x/λF называют тепловым сопротивлением.
Размерность теплопроводности в системе СГС - кал/(с·см·К), в
технических единицах - ккал/(м·ч·К), в международной системе СИ Вт/(м·К). Соотношение этих единиц следующее: 1 кал/(см·с·К) = 360
ккал/(м·ч·К) = 418,68 Вт/(м·К).
Абсолютная теплопроводность при переходе от твердых к жидким и
газообразным веществам изменяется от [λ= 418,68 Вт/(м К)]
(теплопроводности лучшего проводника тепла — серебра) до λ порядка 10-5
(теплопроводности наименее проводящих газов).
Для некоторых газов (СН4 : NН3) относительная теплопроводность
с ростом температуры резко возрастает, а для некоторых (Ne) она
снижается. По кинетической теории теплопроводность газов не должна
зависеть от давления. Однако различные причины приводят к тому, что
при увеличении давления теплопроводность немного увеличивается.
Правда, в диапазоне давлений от атмосферного до нескольких миллибар
теплопроводность не зависит от давления, так как средняя величина
свободного пробега молекул увеличивается с уменьшением числа
молекул в единице объема. При давлении ~20 мбар длина свободного пробега молекул соответствует размеру измерительной камеры.
107
Измерение теплопроводности является старейшим физическим
методом газового анализа. Он был впервые описан в 1840 г. и с 1928 г.
применяется в промышленности. В 1913 г. фирмой Siemens был
разработан измеритель концентрации водорода для дирижаблей. После
этого в течение многих десятилетий приборы, основанные на измерении
теплопроводности, с большим успехом разрабатывались и особенно
широко применялись в быстрорастущей химической промышленности.
Естественно, что сначала анализировали лишь бинарные газовые
смеси. Лучшие результаты получают при большой разности
теплопроводностей газов. Среди газов самую большую
теплопроводность имеет водород. На практике измеряют
концентрацию СО2 в дымовых газах, так как теплопроводности
кислорода, азота и оксида углерода очень близки между собой, что
позволяет смесь этих четырех компонентов рассматривать как
квазибинарную.
Температурные коэффициенты теплопроводности разных
газов в достаточной степени различны, поэтому можно найти
температуру, при которой теплопроводности разных газов совпадают
(например, 4900С д
ля диоксида углерода и кислорода, 70 °С для
аммиака и воздуха, 75 °С для диоксида углерода и аргона); при
решении определенной аналитической проблемы эти совпадения
можно использовать, приняв тройную газовую смесь за
квазибинарную.
Можно считать, что теплопроводность является аддитивным
свойством, т. е.
λ = m1λ1 + m2λ2 +…
где т1; m2 . — мольные концентрации компонентов; λ1; λ2 ... —
теплопроводности этих компонентов. Измерив теплопроводность
смеси и зная теплопроводность чистых компонентов бинарной смеси,
можно вычислить их концентрации. Однако эту простую зависимость
нельзя применять к любой бинарной смеси. Так, например, смеси
воздух — водяной пар, воздух — аммиак, оксид углерода — аммиак и
воздух — ацетилен при определенном соотношении составляющих
имеют максимальную теплопроводность. Поэтому применимость
метода теплопроводности ограничена определенной областью
концентраций. Для многих смесей имеется нелинейная зависимость
108
теплопроводности и состава. Поэтому необходимо снимать
градуировочную кривую, по которой должна быть изготовлена шкала
регистрирующего прибора.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРОВ, ОСНОВАННЫХ НА
ИЗМЕРЕНИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Датчики теплопроводности (термокондуктометрические
датчики) состоят из четырех маленьких наполненных газом камер
небольшого объема с помещенными в них изолированно от корпуса
тонкими платиновыми проводниками одинаковых размеров и с
одинаковым электрическим сопротивлением (рис. 34). Через
проводники протекает одинаковый постоянный ток стабильной
величины и нагревает их. Проводники — нагревательные элементы
окружены газом. Две камеры содержат измеряемый газ, другие две —
сравнительный газ. Все нагревательные элементы включены в мостик
Уитстона, при помощи которого измерение разности температур
порядка 0,01°С не представляет трудностей. Естественно, что такая
высокая чувствительность требует точного равенства температур
измерительных камер, поэтому всю измерительную систему
помещают в термостат или в измерительную диагональ моста
включают сопротивление для температурной компенсации.
Рисунок 34 - Принципиальная
схема анализатора по
теплопроводности газа: 1 -
анализируемый газ; 2 - срав-
нительный газ; 3 - установка
нулевой точки; 4 -
стабилизированный источник
напряжения; 5 - милли-
амперметр; 6 — измерительный
прибор
До тех пор, пока отвод тепла от нагревательных элементов в
измерительных и сравнительных камерах одинаков, мост находится в
равновесии. При подаче в измерительные камеры газа с другой
109
теплопроводностью это равновесие нарушается, изменяется
температура чувствительных элементов и вместе с этим их
сопротивление. Результирующий ток в измерительной диагонали
пропорционален концентрации измеряемого газа. Для повышения
чувствительности рабочую температуру чувствительных элементов
следует повышать, однако нужно следить, чтобы сохранилась
достаточно большая разность теплопроводностей газа. Так, для
различных газовых смесей имеется температура, оптимальная по
теплопроводности и чувствительности.
Измерительные ячейки промышленных
термокондуктометрических анализаторов состоят из массивного
металлического корпуса, в котором высверлены измерительные
камеры. Этим обеспечиваются равномерное распределение
температур и хорошая стабильность градуировки. Объем
измерительных камер может быть очень малым (несколько
кубических миллиметров), что обеспечивает небольшое влияние
конвективной теплоотдачи на результат измерения. Для уменьшения
каталитического эффекта платиновых проводников их заплавляют в
тонкостенные стеклянные капилляры. Для обеспечения стойкости к
коррозии измерительной камеры покрывают стеклом все
газопроводные части. Это позволяет измерять теплопроводность
смесей, с
одержащих хлор, хлористый водород и другие агрессивные
газы.
Термокондуктометрические анализаторы с замкнутыми сравнительными камерами распространены преимущественно в химической промышленности. Подбор соответствующего сравнительного
газа упрощает калибровку прибора. Для уменьшения дрейфа нулевой
точки должна быть обеспечена хорошая герметичность
сравнительных камер. В особых случаях, например, при сильных
колебаниях состава газовой смеси, можно работать с проточными
сравнительными камерами. При этом в помощью специального
реагента из измеряемой газовой смеси удаляют один из компонентов
(например, СО2 ра
створом KOH) и затем направляют газовую смесь в
сравнительные камеры. Измерительная и сравнительная ветви
различаются в этом случае только отсутствием одного из
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]