Средства измерения температуры. Классификация. Оптический термометр.

Список вопросов к экзамену

Температура – физическая величина, количественно характеризующая меру средней кинетической энергии теплового движения молекул какого-либо тела или вещества. Температура определяет внутреннюю энергию тела: потенциальная и кинетическая энергии молекул газа, жидкости или твердого тела зависят от температуры.

Для измерения температуры контактным методом используются следующие термометры:

• расширения;

• манометрические, зависимость между температурой и давлением газа (газовые) или насыщенных паров жидкости (конденсационные), а также между температурой и объемом жидкости (жидкостные) в замкнутом пространстве термосистемы;

• термоэлектрические, действие которых основано на измерении термоэлектродвижущей силы (термо-э.д.с.), развиваемой термопарой (спаем) из двух разнородных проводников;

• сопротивления, использующие зависимость электрического сопротивления проводника от его температуры.

Для измерения температуры бесконтактным методом используют пирометры:

• яркостные, измеряющие температуру по яркости накаленного тела в заданном узком диапазоне длин волн;

• радиационные, измеряющие температуру по тепловому действию суммарного излучения нагретого тела (во всем диапазоне длин волн);

• цветовые, принцип действия которых основан на измерении отношений энергий, излучаемых телом в разных спектральных диапазонах.

По характеру получения информации различают пирометры для локального измерения температуры в данной точке объекта и для анализа температурных полей - тепловизоры.

Оптические термометры (пирометры) позволяют регистрировать температуру благодаря изменению светимости или спектра излучения тел. Оптические термометры применяют для измерения температуры поверхности объектов в труднодоступных (и жарких) местах.

Введение поправки на температуру холодных спаев термоэлектрического преобразователя.

Номинальная статическая характеристика термоэлектрических преобразователей приводится в справочной литературе и представляет собой таблично заданную зависимость термо-э.д.с. от температуры рабочего спая при температуре холодного спая 0 °С. На практике температура свободных концов термометра, в большинстве случаев, поддерживается постоянной, но не равной 0 °С. Реальная статическая характеристика (РСХ) при этом смещается вертикально вверх или вниз относительно номинальной (см. рис. 1.12), что вызывает необходимость введения поправки по уравнению: E(t,0 °С)=E(t,t0)±E(t0,0 °С).

Если поправку не вводить, то возникает погрешность измерения температуры ∆t.

материалы: платина, платинородий, хромель, алюмель и копель. Для измерений в лабораторных установках находят также применение медь, железо и константан и др.

К термоэлектродным материалам, предназначенным для изготовления термоэлектрических термометров, предъявляют ряд требований:  жаростойкость и механическая прочность;  химическая инертность;  термоэлектрическая однородность;  стабильность и воспроизводимость термоэлектрической характеристики;  однозначная, желательно близкая к линейной, зависимость термо-э.д.с. от температуры;  высокая чувствительность.

Позисторы и термисторы.

Термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления и при нагревании сопротивление у них значительно снижается. Есть другая группа полупроводниковых терморезисторов, у которых температурный коэффициент сопротивления в диапазоне измерения положителен, и они называются позисторами. Для измерения температуры применяются терморезисторы в виде плоской шайбы, тонкого диска или бусинки небольшого диаметра.

Статические характеристики

Термисторы имеют нелинейную статическую характеристику. Чувствительность выше, но диапазон меньше.( обычно от -80 °С до 150 °С) Терморезисторы с высоким сопротивлением, как правило, обладают большей стабильностью. Сопротивление зависит от размера и формы термистора и определяется составом оксидной смеси.

Полупроводниковые терморезисторы одного и того же типа могут иметь большой разброс характеристик. Рассеиваемая мощность.

Яркостные пирометры.

Зависимость спектральной энергетической яркости теплового излучения тела от температуры этого тела положена в основу принципа яркостных пирометров.

схема оптического пирометра «с исчезающей нитью», принцип действия которого основан на сравнении яркости объекта измерения и яркости градуированного источника излучения в определенной длине волны.

Достоинством таких приборов является простота и удобство в работе. Недостатком – субъективизм, а также то, что измеряется так называемая яркостная температура, которая отличается от действительной. Яркостная температура – условная температура нечерного тела, численно равная такой температуре черного тела, при которой их спектральные энергетические яркости равны. Для определения действительной температуры следует ввести поправку на степень черноты поверхности объекта.

Цветовые пирометры.

цвет нагретого объекта зависит от его температуры. Приборы, основанные на использовании данной закономерности называются цветовые пирометры. Как правило они определяют температуру по отношению светимостей для фиксированных длин волн излучения. Это отношение однозначно зависит от положения максимума спектральной энергетической светимости, а значит и от температуры.

Эти пирометры измеряют цветовую температуру объекта по отношению интенсивностей излучения в двух определенных участках спектра. Основное преимущество таких пирометров заключается в независимости их показаний от излучательной способности объекта, а также от наличия дыма, пыли и испарений в пространстве между объектом и пирометром.

Диапазон измерения от 1000 до 2500 С. При использовании инфракрасных фотоприемников нижний предел температурного диапазона может быть уменьшен до 20 – 50 С. Достоинством таких приборов является то, что для «серых» тел измеряется действительная температура.

Радиационные пирометры.

На использовании зависимости полной (интегральной) светимости теплового излучения тела от температуры основан принцип действия радиационных пирометров. Приборы такого типа широко используют для измерения низких температур -20..100 С. Приемники полного излучения отличаются тем, что их спектральная чувствительность постоянна в широком диапазоне длин волн от дальней инфракрасной области до ближней ультрафиолетовой. Для увеличения поглощательной способности чувствительные поверхности приемников излучения окрашивают в черный цвет. Для уменьшения теплоотвода в среду приемник помещают и вакуумированные или газонаполненные корпуса. В качестве приемников применяются термобатареи или болометры.

Термобатареи – последовательно соединенные термоэлектрические преобразователи (до 20 термопар). Их горячие спаи 1 (см. рисунок 1.31) располагаются на узком участке зачерненной поверхности 2, на который фокусируется излучение.

Рисунок 1.31. Конструкция термобатареи

Болометры – это термометры сопротивления, изготовленные либо из фольги проводящих материалов, либо из полупроводников (термисторов). Тепловые быстродействующие индикаторы выполняются в виде тонкослойной термопары или болометра, в которых активный слои имеет хороший тепловой контакт с основанием. Это дает возможность повысить быстродействие (время успокоения до 10-9 с). Они применяются для идентификации мощных сигналов, например лазерного излучения. Пироэлектрические приемники – это кристаллы с определенным видом симметрии, в которых в зависимости от изменения температуры проявляется эффект спонтанной поляризации. Пирометры полного излучения подразделяются на пирометры с преломляющей оптической системой (рис. 1.32, а) и пирометры с отражающей оптической системой (рис. 1.32, б).

В первом случае излучение от объекта измерения 1 через линзовый объектив 2 и диафрагму 3 поступает на приемник полного излучения 4. Для наводки на объект измерения служит окуляр 6 с дымчатым светофильтром 5 и диафрагмой 7. Отсчетным устройством является милливольтметр 8.

В пирометрах с отражающей оптической системой (см. рис. 1.32, б) излучение от объекта измерения 1 попадает на приемник излучения 3 после прохождения через защитную полиэтиленовую пленку 2, диафрагму 4 и зеркальный объектив 5. Для наводки на объект излучения служит зрительная труба 6. Отсчет показаний производится по шкале милливольтметра 7. Полиэтиленовая пленка прозрачна для инфракрасного излучения и служит для защиты опти- ческой системы пирометра от загрязнения потоков воздуха.

Тепловизоры.

Пирометры позволяют измерять температуру локальной точки объекта контроля. Для визуализации температурных полей применяют тепловизоры.

Принцип действия сканирующего тепловизора (см. рисунок 1.33) заключается в просмотре по заданному закону движения поверхности объекта узким лучом, сформированным оптической системой. Обзор происходит с помощью сканирующей системы в пределах угла поля зрения за время, которое принято называть временем кадра. По такому же закону движения происходит перемещение луча по экрану кинескопа. При этом интенсивность луча и яркость изображения зависит от сигнала приемника ИК лучей, который в свою очередь зависит от температуры участка поверхности объекта. Таким образом, на экране кинескопа получают области с различной градацией яркости, которые и составляют тепловое изображение объекта.

Источники и способы нагрева

Внешний источник тепловой энергии по-другому еще называют источником тепловой стимуляции. Тепловую стимуляцию можно осуществлять, нагревая или охлаждая объект контроля. Но на практике почти всегда используют нагрев с помощью излучателей или потоков газа (жидкости).

Наибольшая мощность при стимуляции достигается нагревом оптическим излучением. Для этого применяют:

- электрические лампы накаливания (при «медленном» активном ТК металлов)

- галогенные и ксеноновые лампы (для «быстрой» стимуляции металлов)

- лазеры (для быстрого локального нагрева).

Изделия, изготовленные из проводящих материалов, стимулируют индукторами и непосредственно, пропуская электрический ток по образцу.

Нагрев излучением СВЧ применяют при контроле участков с повышенной влажностью в изделиях из пористых непроводящих материалов.

Конвекционный нагрев исследуемого объекта проводят с помощью жидкости или потоков горячего газа. Для этого подогретую жидкость пропускают внутри устройства, а температурное поле фиксируют снаружи – подобным образом осуществляется схема так называемого двустороннего активного теплового контроля.

Как двусторонний, так и односторонний активный тепловой контроль возможен с применением потока горячего газа (воздуха), направляемого на объект с помощью «тепловой пушки».

Существуют еще механический (за счет воздействия вибрацией) и ультразвуковой способ стимуляции изделий.

Электрический психрометр.

Для измерения психрометрического эффекта психрометр имеет два одинаковых термометра, у одного из которых (мокрого) тепловоспринимающая часть все время остается влажной, так как соприкасается с гигроскопическим телом, всасывающим воду из сосуда. При испарении влаги с увлажненной поверхности мокрого термометра его температура понижается. В результате, между сухим и мокрым термометрами создается разность температур, называемая психрометрической разностью.

Измерительная часть прибора состоит из двух мостов I и II. Оба моста питаются переменным током от обмотки силового трансформатора электронного усилителя и имеют два общих плеча R1 и R3. Сухой термометр сопротивления Rтс включен в плечо моста 1, мокрый Rтм в плечо моста 2. Мост I образован постоянными резисторами R1, R2, R3, Rтс , a мост II – резисторами Rl, R3, R4, Rтм. Разность потенциалов на вершинах а и b диагонали моста I пропорциональна температуре сухого термометра сопротивления, а разность потенциалов на вершинах a и с – температуре мокрого термометра сопротивления. Падение напряжения между точками b и с диагонали двойного моста пропорционально разности температур сухого и мокрого термометров сопротивления. Равновесие измерительной схемы устанавливается автоматически изменением положения движка Rp, приводимого в движение реверсивным двигателем РД. Одновременно перемещается стрелка прибора.

Теплофизические влагомеры.

Магнитографический метод.

Магнитографический метод нашел наиболее широкое применение для контроля стыковых сварных соединений. За рубежом он применяется также для контроля цилиндрических и четырехгранных заготовок на поверхностные дефекты.

Для считывания и воспроизведения полей рассеяния от дефектов, зафиксированных на магнитной ленте в процессе магнитографического контроля стыковых сварных соединений трубопроводов, резервуаров и других конструкций применяется специальное воспроизводящее устройство, например, типа УВ-ЗОГ. Информация в этом приборе о характеристиках магнитных полей рассеяния отображается на экране электронно-лучевой трубки. Этот прибор используется также в полевых испытательных лабораториях, передвижных автолабораториях в условиях строительства магистральных трубопроводов и в заводских лабораториях. Визуализация записанных на магнитную ленту магнитных полей рассеяния контролируемого изделия основана на преобразовании рельефа магнитного поля в электрические сигналы магнитными головками и последующем преобразовании этих сигналов в видимое изображение на экране электронно-лучевой трубки в виде импульсной построчной индикации и яркостной индикации. По экрану яркостной индикации определяется форма и ориентировочные размеры дефекта, а по величине импульса его примерная глубина в % от толщины изделия.

Феррозондовый метод.

Феррозондовый метод применяют для обнаружения тех же дефектов, что и магнитно- порошковым методом, а также дефектов, расположенных на глубине до 20 мм. С его помощью измеряют толщину листов и стенок сосудов при двухстороннем доступе.

метод магнитного неразрушающего контроля, основанный на регистрации магнитных полей объекта контроля феррозондовыми преобразователями; Феррозонд представляет собой катушки индуктивности с нелинейным сердечником. Чаще всего в качестве такого сердечника используется пермаллоевая проволока. Если через катушку возбуждения пропустить переменный ток, который создаст переменное поле с амплитудой напряженности Н, и приложить к феррозонду соосное постоянное поле напряженностью Н, то на выходе приемной катушки феррозонда появится напряжение, пропорциональное постоянному магнитному полю Н и с удвоенной частотой. Появление напряжения удвоенной частоты обусловлено нелинейной характеристикой сердечника феррозонда. Это напряжение и является сигналом, по которому судят о внешнем магнитном поле;

Феррозонд или феррозондовый магнитометр – прибор для измерения и индикации магнитных полей (в основном постоянных или медленно меняющихся) и их градиентов. Действие магнитомет- ра основано на изменении магнитного состояния ферромагнетика под воздействием двух магнит- ных полей разных частот. В простейшем варианте он состоит из стержневого ферромагнитного сер- дечника и находящихся на нѐм двух катушек: катушки возбуждения, питаемой переменным током, и измерительной (сигнальной) катушки. В отсутствие измеряемого магнитного поля сердечник под действием переменного магнитного поля, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагни- чивается по симметричному циклу. Изменение магнитного потока, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричной кривой, индуцирует в сигнальной катушке эдс, изменяющуюся по гармоническому закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое постоянное или слабо меняющееся магнитное поле, то кривая перемагничивания изменяет свои размеры и форму и становится несимметричной. При этом изменяется величина и гармонический состав э.д.с. индук- ции в сигнальной катушке. В частности, появляются чѐтные гармонические составляющие э.д.с., величина которых пропорциональна напряжѐнности измеряемого поля и которые отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания.

Феррозондовые приборы применяют не только в системах контроля за качеством выпускаемой продукции, но и для измерения земного магнитного поля и его вариаций (в частности, при поисках полезных ископаемых, создающих локальные аномалии геомагнитного поля); для измерения маг- нитных полей Луны, планет, межпланетного пространства; для обнаружения ферромагнитных предметов и частиц в неферромагнитной среде (в частности, в хирургии).

Спектральные фотометры.

Зависимость потока излучения Ф от частоты или длины волны называют спектрограммой. Эта зависимость для каждого вещества имеет свой специфический вид и поэтому является отличительным признаком для качественного анализа.

Спектральные измерительные приборы – спектрофотометры – являются приборами для измерения фотометрических величин оптического излучения с разложением в спектр, т. е. с разложением по длинам волн. Существует огромное количество спектральных измерительных приборов, в которых для регистрации используются не только различные устройства для получения спектров, но и различные принципы. Прежде всего, нужно выделить два больших класса спектральных приборов, разделяемых по принципу регистрации спектров – это приборы дисперсионные и интерференционные.

Турбидиметры и нефелометры.

При прохождении через дисперсную систему, содержащую взвесь твердых частиц в растворителе.

Мутность дисперсных систем определяется действием различных факторов в зависимости от соотношения размеров твердых частиц и длины световой волны. Если длина волны падающего света значительно больше размера частиц, то возникает так называемый эффект Тиндаля, заключающийся в дифракции световой волны, т. е. огибании частицы на ее пути. Если же длина световой волны меньше линейных размеров взвешенных частиц, то рассеяние света мутной средой объясняется как преломлением света на границе раздела твердой и жидкой фаз, так и отражением света частицами.

В любом случае световая энергия рассеянных лучей зависит от числа частиц дисперсной системы. Концентрацию взвешенного вещества можно определить с помощью двух родственных приборов – нефелометров и турбидиметров.

Нефелометры – это приборы, принцип действия которых основан на измерении интенсивности светового потока, рассеянного твердыми частицами. Турбидиметрами называют приборы, основанные на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через дисперсную систему.

Таким образом, при нефелометрическом анализе измеряют интенсивность Ip светового потока, рассеянного в направлении, перпендикулярном направлению луча с интенсивностью I0, а при турбидиметрическом методе определяют интенсивность I светового потока, выходящего из кюветы в направлении падающего луча. Оба метода наиболее эффективны при измерении малых концентраций взвешенного вещества (порядка 0,1 кг/м3).

Теневой акустический метод.

Методы прохождения Эти методы, в России чаще называемые теневыми, основаны на наблюдении изменения пара- метров прошедшего через ОК акустического сигнала (сквозного сигнала). На начальном этапе раз- вития использовали непрерывное излучение, а признаком дефекта было уменьшение амплитуды сквозного сигнала, вызванное образуемой дефектом звуковой тенью.

теневой метод можно рассматривать как частный случай более общего понятия "метод прохождения". При контроле методами прохождения излучающий и приемный преобразова- тели располагают по разные стороны от ОК или контролируемого его участка. В некоторых мето- дах прохождения преобразователи размещают с одной стороны от ОК на определенном расстоянии друг от друга. Информацию получают, измеряя параметры прошедшего от излучателя к приемнику сквозного сигнала.

Амплитудный метод прохождения (или амплитудный теневой метод) (рис. 6, а) основан на регистрации уменьшения амплитуды сквозного сигнала под влиянием дефекта, затрудняющего прохождение сигнала и создающего звуковую тень.

Временной метод прохождения (временной теневой метод, рис. 6, б) основан на измере- нии запаздывания импульса, вызванного огибанием дефекта.

Метод многократной тени аналогичен амплитудному методу прохождения (теневому), но о наличии дефекта судят при этом по амплитуде сквозного сигнала (теневого импульса), многократно (обычно двукратно) прошедшего между параллельными поверхностями изделия. Метод более чув- ствителен, чем теневой или зеркально-теневой, так как волны проходят через дефектную зону не- сколько раз, но менее помехоустойчив.

Радиационный контроль.

При радиационном контроле используют, как минимум, три основных элемента (рис. 18 №5): источник; (ОК); детектор ионизирующего излучения, регистрирующий дефектоскопическую информацию.

При прохождении через изделие ионизирующее излучение ослабляется – поглощается и рассеивается. Степень ослабления зависит от толщины, плотности и атомного номера материала контролируемого объекта, а также от интенсивности и энергии излучения. При наличии в веществе внутренних дефектов изменяются интенсивность и энергия пучка излучения.

Методы радиационного контроля различаются способами детектирования дефектоскопической информации и соответственно делятся на радиографические, радиоскопические и радиометрические.

Изделия просвечиваются с использованием различных видов ионизирующих излучений – рентгеновского, гамма-излучения и нейтронного.

Радиографические (пленочную радиографию и ксерорадиографию (электрорадиографию); толщиной от 1 до 700 мм)

Радиационная интроскопия

Радиометрическая дефектоскопия (метод получения информации о внутреннем состоянии контролируемого изделия, просвечиваемого ионизирующим излучением, в виде электрических сигналов (различной величины, длительности или количества)).

Основы томографии.

Сущ. метода ПРВТ – реконструкция пространственного распределения линейного коэффициента ослабления зондирующего излучения в объеме контролируемого объекта в результате вычислительной обработки теневых интегральных проекций, полученных при рентгеновском просвечивании объекта в некотором достаточном количестве ракурсов. При этом удается детально контролировать геометрическую структуру и характер объемного распределения плотности и элементарного состава материалов без разрушения изделия любой сложной конфигурации.

Использование метода томографии обусловливает принципиально новые возможности нераз- рушающего контроля с помощью радиационного излучения:

способность воспроизводить, анализировать внутреннюю структуру неоднородных промышленных изделий сложной формы и конфигурации без взаимного наложения изображений элементов внутренней структуры; в десятки раз большую, чем у радиографии, чувствительность обнаружения локальных нару- шений сплошности, включений, разноплотностей; получение количественной цифровой информации о контролируемой структуре, что создает предпосылки для автоматизации обработки и использования результатов контроля.

На самом деле промышленный томограф представляет собой сложную техническую систему, содержащую большое число устройств. Типичная структура промышленного томографа показан на рис. 22. Комплекс томографа включает в себя четыре системы – систему формирования излучения (1 - 7), систему перемещения изделия (8 - 14), систему детектирования (15 - 20), систему управления комплексом, синтеза и обработки томограмм (21 -25).

Три основные этапа работы томографа:  сбор проекционных данных и ввод в ЭВМ;  предварительная обработка данных для их нормирования и учета искажающих влияний;  реконструкция, отображение, архивирование.

Вибрационные испытания.

В зависимости от целей испытания различают испытания на вибропрочность и виброустойчивость. Испытания на вибропрочностъ – это проверка способности изделия противостоять разрушающему влиянию вибрационных воздействий и нормально функционировать после прекращения воздействий. Целью испытаний на вибраустойчивость является установление способности изделия выполнять свои функции и сохранять свои основные параметры при вибрационных воздействиях в пределах, указанных в нормативных документах на изделие.