Первичные изм. преобразователи. Часть 2

измерений с помощью термопар, как это может показаться из приведенных выше рассуждений, поскольку соединение вольтметра с термоэлектрической схемой само по себе образует новый спай в схеме. Кроме того, объект, температура которого измеряется, может находиться на некотором расстоянии от вольтметра, что затрудняет процесс формирования стабильной опорной температуры [4].

Другие термопары

В последние годы появились разнообразные методы измерения температуры термометрическими средствами. Полупроводниковые температурные чувствительные элементы, выполненные в виде интегральных схем, генерируют на своих выходах электрический ток, пропорциональный абсолютной температуре. Такие измерительные преобразователи обладают достаточно хорошей линейностью и имеют чувствительность порядка 1 мкА выходного тока на один градус Кельвина.

Схема их подключения к измерительной цепи аналогична термисторам, однако они более эффективны для работы в дистанционных измерительных системах, в которых ток, генерируемый чувствительным элементом, не изменяется для любой измеряемой температуры. Поэтому сопротивлением соединительных проводов и падением напряжения на них можно пренебречь.

Другие типы полупроводниковых чувствительных элементов генерируют на выходе напряжение, пропорциональное температуре. Например, один из таких приоров имеет выходное напряжение 10 мВ на один градус Кельвина.

Полупроводниковые чувствительные элементы основаны, конечно, на принципе пропорционального изменения тока p—n -переходов или напряжения на переходе в зависимости от температуры. В конечном счете все простейшие полупроводниковые диоды на основе германия, кремния, арсенида галлия и других материалов могут быть использованы в качестве чувствительных элементов измерительных преобразователей температуры. Отрицательный температурный коэффициент p—n -переходов означает, что напряжение на переходе падает примерно на 2 мВ на каждый градус

52

Кельвина.

Характеристики транзисторов также изменяются в зависимости от температуры, и это позволяет их применять для измерения температуры. Верхний диапазон измеряемых температур ограничивается током утечки полупроводниковых переходов. Последние используются для измерения температур в диапазоне от —50 до + 150° С.

2.6. Радиационная пирометрия

Все ранее рассмотренные первичные измерительные преобразователи относятся к термометрическим преобразователям, т. е. к преобразователям, основанным на прямом контакте с телом, температура которого измеряется. Радиационная пирометрия представляет собой науку об измерениях температуры тела без непосредственного контакта с ним, т.е. с использованием энергии излучения нагретого тела, ее регистрации и отображения в единицах температуры [5].

В основе радиационного метода измерения температуры лежит использование зависимости, существующей между суммарной энергией излучения тела и его температурой. Для абсолютно черного тела эта зависимость определяется следующей формулой:

температуре Т за 1с с единицы поверхности и воспринимаемая за 1с бесконечной поверхностью абсолютно черного тела с температурой Тс;

σ – постоянная, равная 5,673·10-12 Вт·см-2 град-4 Для измерения температуры черного тела достаточно измерить его

полную энергию излучения, например, по ее тепловому действию. Ввиду того, что в радиационных пирометрах Т»»Тс, то Тс можно пренебречь, и

53

уравнение (2.6.1) приобретает вид:

Ет = σ Т4 (закон Стефана-Больцмана)

Для реальных тел (нечерных) суммарная интенсивность излучения в диапазоне от λ=0 до λ=∞ выражается формулой:

λ =∞

ЕТ = ∫ ε λ c1λ−5 (ес2 / λТ −1) −1 dλ .

λ =0

Поэтому, так называемая радиационная температура Тр нечерного тела может быть определена из следующего выражения:

λ =∞

σТ4р = ∫ ε λ c1λ−5 (ес2 / λТ −1) −1 dλ ,

λ =0

где ελ - коэффициент черноты (относительная излучательная способность) серого тела на определенной длине волны λ;

с1, с2 – постоянная формулы Планка.

В качестве приемников излучения применяются балометры и фотоэлектрические чувствительные элементы.

Удобным типом радиационных пирометров являются сканирующие пирометры.

Сканирующий радиационный пирометр дает возможность производить оптическое сканирование различных объектов и фотографировать эти объекты в их собственном тепловом излучении. По различной степени почернения фотопленки или фотопластинки можно судить о температурах различных участков объектов.

Существуют различные конструкции сканирующих пирометров, которые имеют свои достоинства и недостатки.

Пирометр — это первичный измерительный преобразователь температуры, который определяет энергию излучения тела. По своей природе он является дистанционным (бесконтактным) первичным измерительным преобразователем.

В общем случае пирометр представляет собой целую систему, содержащую в себе:

54

1)совокупность оптических линз для фокусировки энергии излучения на преобразующем элементе;

2)преобразующий элемент для восприятия энергии излучения;

3)электронные схемы для сопряжения преобразующего элемента с последующими блоками системы.

Все типы пирометров основаны на излучении тепла телом, температура которого измеряется. Принцип работы прибора показан на рис.2.6.1, где сам пирометр изображен в виде ящика с отверстием, через которое энергия излучения проходит от тела к преобразующему элементу. Количество энергии, исходящей от тела, зависит от его температуры и способности к излучению. Последняя для данного тела является неизменной и определяется материалом тела.

На первый взгляд, количество энергии, подаваемое в пирометр, зависит от расстояния до тела: энергия обратно пропорциональна квадрату расстояния между пирометром и телом (рис.2.6.2, а). Другими словами, количество энергии, достигающей преобразующего элемента, уменьшается пропорционально квадрату расстояния от тела.

Рис.2.6.1. Принцип действия радиационного пирометра

55

Однако площадь поверхности тела, которую «видит» преобразующий элемент пирометра, увеличивается пропорционально квадрату расстояния до тела (рис.2.6.2, б).

Рис.2.6.2. Иллюстрация того, что расстояние от пирометра до тела,

температура которого измеряется, не изменяет выхода пирометра

Таким образом, излучение, достигающее пирометра, не зависит от его расстояния до тела (при условии, что поверхность тела полностью заполняет область «видения» пирометра). Отсюда следует, что при известной способности тела к излучению пирометр непосредственно регистрирует температуру тела.

Преобразующий элемент устройства может быть выполнен в форме любого из ранее рассмотренных преобразователей для измерения температуры. Обычно в пирометрах используются для этой цели термопары, резистивные чувствительные элементы (они называются болометрами) или полупроводниковые приборы. Как правило, пирометры представляют собой довольно громоздкие приборы, однако их последние модификации

56

отличаются небольшими размерами за счет использования в них чувствительных элементов, измеряющих излучение непосредственно на основе фотоэлектрического или пироэлектрического эффекта и выполненных в виде интегральных схем. Такие пироэлектрические детекторы имеют в своем составе все три основные части пирометра, но в миниатюре. Они недороги, устойчивы к внешним воздействиям и способны непосредственно сопрягаться с элементами измерительной системы.

Пирометрический эффект определяется свойствами керамической пластины: при нагревании, в процессе изготовления в электрическом поле в пластине происходит упорядочение кристаллических диполей. Когда материал охлаждается, это упорядочение в той или иной мере сохраняется, что приводит к эффективному формированию конденсатора. Температура пластин определяет точную степень упорядоченности, поэтому заряд на конденсаторе также изменяется в зависимости от температуры.

Перестраиваемые фильтры, расположенные перед окном пирометра, позволяют сделать прибор чувствительным к различным частям излучаемого спектра. Интегральный полевой транзистор производит усиление сигнала и сопряжение преобразующего элемента с другими частями измерительной системы.

Поскольку пироэлектрические детекторы воспринимают температуру дистанционно, т.е. без физического контакта, они могут применяться для обнаружения того или иного тела, образуя основу детекторов наличия или приближения предметов.

На рисунке 2.6.3 представлены конструкции датчиков, для измерения асболютного значения температуры воздуха и на поверхности объектов.

На рисунке 2.6.4 приведен перечень тепловизионных систем, пригодных для бесконтактной регистрации температурных полей [6].

57