Бесконтактные методы и средства измерений

Бесконтактные (Non-Contact) измерения температуры неза­менимы в тех случаях, когда нежелательно, невозможно, сложно, и/или опасно обеспечить механический контакт датчика с объек­том измерения.

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

Другая ситуация: объект исследования имеет малые габариты и массу (и, 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 измерения 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 +2000...+2500°С, поэтому измерения более высоких тем­ператур производят только бесконтактными методами.

Бесконтактные методы измерения реализованы в различных инфракрасных (ИК) средствах измерения (InfraRed Insrumtntal) – термометрах и измерительных преобрзователях, а также в оптических (Optical) 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 эксплуатационные 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.

Оптическое излучение.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 воспри­нимает тепло (осязанием) 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... 1000 °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.

Диапазон длин волн λ ультрафиолетового излучения состав­ляет 1,0 нм...0,38 мкм, видимого излуче­ния – 0,38...0,76 мкм, ИК-излучения – 0,76... 1000 мкм.

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.п.

На рис. 99 показана упрощенная структура ИК-термометра.

Рис. 90. Упрощенная структура ИК-термометра: 1 – объект; 2 – объектив; 3 – приемник

Тепловое излучение поверхности объекта объективом прибора фокусируется на приемник, в роли которого часто выступает тер­мопара. ТермоЭДС термопары усиливается усилителем Ус, преоб­разуется аналого-цифровым преобразователем АЦП в цифровой код, который 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 рис. 90 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 ИК измерительные преобразователи. Эти устройства не имеют инди­катора, их выходной аналоговый сигнал представлен пропорцио­нальным измеряемой температуре током или напряжением. Они предназначены для работы совместно с показывающими приборами или регистратора­ми в составе измерительных установок, комплексов или систем.

Специфика применения ИК-измерителей.При бесконтактных измерениях температуры с помощью ИК-термометров или преоб­разователей необходимо иметь в виду некоторые важные особен­ности.

Поскольку количество излучаемой объектом энергии зависит не только от температуры, но также и от качества поверхности тела, то для обеспечения достоверных результатов необходимо знать (или заранее экспериментально определить) значение коэффици­ента излучения (Emission) поверхности конкретного объекта ε. Абсолютно черное тело (ε = 1) гораздо лучше «отдает» теплоту, чем объект с блестящей гладкой поверхностью. Перед началом измере­ния необходимо ввести в прибор значение поправки, соответству­ющей свойствам материала поверхности объекта, и тогда прибор автоматически будет корректировать показания, компенсируя не­достаточную излучающую способность исследуемой поверхности. Такие поправки (так называемые поправки на «неполную черно­ту») обычно приводятся в Инструкции по эксплуатации или в паспорте ИК-прибора.

Если материал поверхности конкретного исследуемого объекта не описан в таблице поправок (коэффициентов излучения ε) при­бора, то можно оценить значение необходимой поправки экспе­риментально, например следующим образом. В тех случаях, когда это возможно, нужно измерить температуру исследуемой поверх­ности контактным термометром. Затем, перебирая разные значе­ния поправки ИК-термометра, следует добиться одинаковых по­казаний обоих приборов.

Инфракрасные термометры не рекомендуется использовать при исследовании блестящих, полированных поверхностей, неокисленных металлов типа хрома, алюминия, нержавеющей стали, латуни и т. п. Если исследуемая поверхность обладает малой излу­чающей способностью, целесообразно покрыть ее тонким слоем матовой черной краски или сажи. Это не повлияет на фактическую температуру поверхности, однако позволит повысить достовер­ность результатов, так как увеличит излучающую способность до ε = 0,9...0,96.

Следует помнить, что значение коэффициента излучательной способности зависит не только от качества поверхности, но иот температуры объекта.

Измерение давления

Наряду с температурой и расходом давление является одной из важнейших физических величин, измеряемой в различных об­ластях человеческой деятельности. Методы и средства измерения давления основаны на использовании различных физических яв­лений, как давно известных, так и открытых сравнительно не­давно.