Бесконтактные методы измерения температуры

Бесконтактные измерения температуры незаменимы в тех случаях, когда нежелательно, невозможно, сложно или опасно обес­печить механический контакт датчика с объектом измерения [1].

Не так легко определить температуру находящегося в движе­нии объекта, например быстродвижущейся бумажной ленты, или вращающегося барабана бетономешалки, или потока горячего асфальта. Иногда поверхность объекта, температура которого ин­тересует, недоступна или небезопасна (например, при оценке перегрева контактного соединения воздушной линии электропе­редачи или высоковольтного трансформатора).

Другая ситуация: объект исследования имеет малые габарит­ные размеры и массу (следовательно, малую теплоемкость) и использование контактных термометров привело бы к очень боль­шой методической погрешности (погрешности взаимодействия) за счет значительного количества тепла, отнимаемого датчиком прибора от объекта и, как следствие, недопустимого искажения режима его работы и, естественно, результата измерения. Особен­но сильно это проявлялось бы при необходимости исследования достаточно быстрых изменений температуры исследуемого объек­та малой массы, например в случае оценки температуры мини­атюрных электронных узлов.

Бесконтактные методы и средства измерений температуры являются так называемыми неинвазивными, т. е. не требуют вмешательства в ход технологического процесса, не создают проблем с установкой датчиков, не требуют контакта с объектом исследова­ния, не порождают погрешностей взаимодействия инструмента с объектом и некоторых других неприятностей.

Еще один класс задач, где использование бесконтактных ме­тодов и средств не только целесообразно, но и неизбежно (так как не имеет альтернативы) − измерение сверхвысоких темпера­тур (например, измерение температуры расплавленных металлов). Возможная верхняя граница контактно-измеряемых температур составляет 2 000... 2 500 град.С, поэтому измерения более высоких тем­ператур производят только бесконтактными методами.

Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения (InfraRed Instrumen­tation) − термометрах и измерительных преобразователях, а так­же в оптических 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 эксплутационные 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 [5].

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 (осязанием) воспринима­ет тепло 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... 1 000 град.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 X, расположенными в диапазоне 1 нм... 1 мм. Этот диапазон делится на три части. Рисунок 23 иллюстрирует соотношение поддиапазонов ИК-излучения, видимого (В), ультрафиолетового (УФ) и со­седних излучений. Верхняя ось абсцисс показывает значения ча­стот F, нижняя − соответствующие частотам значения длин волн λ (в логарифмическом масштабе).

Диапазон длин волн X ультрафиолетового излучения составля­ет 1,0 нм... 0,38 мкм. Диапазон длин волн X видимого излучения − 0,38...0,76 мкм. Диапазон длин воли X ИК-излучения − 0,76... 1000 мкм.

Радиоволны

10^-1 10^-2 10^-4 10^-6 10^-8 10^-10 10^-12 10^-14
Рисунок 23. − Диапазоны частот F и длин волн λ различных излучений

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.д. На рисунке 24 показана упрощенная структура ИК-термометра.

1 − объект; 2 − объектив; 3 − приемник

Рисунок 24 − Упрощенная структура ИК-термометра

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

Инфракрасный измеритель может также содержать узлы свя­зи (аналоговой или цифровой) с внешними устройствами. На рисунке 24 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 инфракрасные измерительные преобразователи. Эти устройства не име­ют индикатора, их выходной аналоговый сигнал представлен то ком (например, 4...20 мА), пропорциональным измеряемой тем­пературе, или напряжением (например, 0...5 В). Они предназначены для работы совместно с показывающими приборами или с регистраторами в составе измерительных установок, комплексе и или систем.

Оптические средства измерений температуры по воспринимаемому излучению носят название пирометров. Пирометры делятся на:

− цветовые (основанные на измерении отношения интенсивностей излучения).

− радиационные (воспринимающие полную энергию излучения),

− яркостные (воспринимающие энергию излучения в какой-либо узкой части спектра).

Цветовой пирометр

Схема автоматического цветового пирометра представлена на рисунке 25, а, а на рисунке 25, б приведена его блок-схема сигналов. Излучение объекта 1 фокусируется линзой 2 и передается на модулятор – колеблющееся зеркало 3 с электромагнитным вибратором 4. Отраженное от зеркала излучение передается поочередно через красный (7) и зеленый (6) светофильтры на фотоприемник 10. В начале шкалы интенсивности красного и зеленого участков спектра одинаковы, и поэтому фотоприемник при сканировании излучением фильтров выдает равные напряжения. С ростом температуры объекта интенсивность зеленого излучения возрастает, что вызывает соответствующее увеличение выходного тока усилителя 9. Увеличение тока, в свою очередь, вызывает увеличение амплитуды колебаний зеркала относительно зеленого светофильтра. При этом возрастает поглощение зеленого излучения оптическим клином 8 до выравнивания интенсивностей излучения обоих цветов на входе фотоприемника. Отклонение выходного тока усилителя является мерой искомой температуры объекта. Пирометры такого типа позволяют измерять температуры, превышающие 700°С [1].